Прежде, чем лететь к звездам

А.Трубицин

Тренажеры востребованы в различных отраслях хозяйства, и производители промышленного оборудования в последние годы придают им большое значение. Что дешевле —готовить на специальных тренажерах операторов нефтеперегонной колонны, чтобы не допускать ее остановки, или же заниматься ликвидацией последствий аварий, заменяя основное оборудование и пытаясь свести к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде? На Западе уже найдены ответы на подобные вопросы. Богатые отрасли отечественной промышленности — нефтяная и газовая -- также приступают к созданию собственных тренажно-моделирующих средств. Остальные обязательно придут к этому в перспективе.

Полковник В. Г. Синельников:
"За тренажерами – большое будущее"

Огромный опыт создания тренажеров накоплен в авиации и космонавтике, которые являются лидерами в этой области. Используя его, мы получаем экономическую отдачу от реализации программ освоения космоса, проводимых вот уже на протяжении половины столетия. В нашей стране средоточием самых сложных тренажеров, лидирующих в мировом масштабе, является Центр подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина (ЦПК).

Как устроены тренажеры

Классический тренажер, и космический в том числе, — это прежде всего макет, имитирующий кабину и средства управления и наблюдения, доступные космонавту: экраны, пульты и т. п. — словом, весь дизайн рабочего места оператора. Он в точности повторяет ту обстановку, в которой космонавту придется работать на орбите.

Всем этим хозяйством, естественно, необходимо управлять — т. е. выводить данные на пульты из вычислительной системы и принимать ответные реакции оператора. Эту задачу выполняет комплекс устройств связи с объектом (УСО). Третья составная часть тренажера — устройства имитации внешней визуальной, шумовой и акселерационной обстановки. Они позволяют создать картинки, которые будут в иллюминаторах или на приборах наблюдения (а их много, и к тому же разных типов — для наблюдения Земли, звезд, и других объектов). Необходимо также смоделировать визуальную обстановку — процессы поиска и сближения с космическим кораблем, а затем и стыковку. Реальных объектов здесь нет, но они должны быть смоделированы. Плюс звуковая обстановка и вибрация — когда человек чем-то управляет, он должен своим телом чувствовать реакцию техники.

Тренажер модуля “Заря”,
входящего в состав МКС.
Шкафы внизу содержат модули УСО

Четвертая составная часть тренажера — вычислительная система, которая по определенным законам моделирует окружающую обстановку и поведение аппарата и его компонентов. Моделируются существующие на борту физические системы — управления движением, жизнеобеспечением, аварийной автоматики (она реагирует, например, на разгерметизацию) и т. п. На корабле таких систем порядка десятка, на станции -- больше 20. Кроме того, необходимо моделировать достаточно сложную динамику полета, а при разгерметизации — падение давления атмосферы внутри корабля. Тренажер невозможно поместить в вакуумную камеру, но приборы тем не менее должны показывать падение давления, как будто в корабле произошла разгерметизация. В зависимости от его “диаметра” давление должно падать с определенной скоростью. Моделируется внутренняя среда станции, где находится человек, — температура (ее повышение и понижение) и газовый состав. При имитации стыковки приходится рассматривать не только активный объект, управляемый оператором, — транспортный корабль, например, -- но и станцию, к которой он приближается, а также ее облет. При этом автоматика станции тоже подает свои сигналы, и их необходимо учитывать.

Пятая и последняя часть тренажера — пульт контроля и управления, за которым работает инструктор: контролирует действия оператора, задает вводные и т. п. Эта система дополняется модулями, помогающими инструктору оценить уровень подготовки экипажа. Так, стыковку в ручном режиме можно выполнить разными способами, но при этом нужно затратить как можно меньше топлива. В данном случае количество израсходованного топлива является показателем эффективности произведенной стыковки.

В качестве УСО используются
PEP’овские машины
(сейчас PEP — подразделение Kontron)
под управлением ОS-9.

Кроме того, существуют средства врачебно-медицинского контроля, с помощью которых врачи во время тренировки следят за частотой пульса, давлением, потовыделением – т.е. показателями, характеризующими самочувствие оператора. По этим параметрам можно судить, насколько сложно приходится оператору и насколько он готов к выполнению реального задания.

Тренажеры виртуальные и реальные

Раньше для моделирования визуальной обстановки использовались сложнейшие устройства: ставился в кардановом подвесе макет станции, на него наезжала камера, макет поворачивался, создавая иллюзию облета космического объекта. С развитием вычислительной техники и особенно графических средств пришли к тому, что сейчас эта задача решается с помощью ПО и мощной графической платы. Естественно, при этом появился соблазн упростить тренажер в целом, доведя его до имитации на компьютере, как в современных играх. Человек сидит за компьютером и отрабатывает свои задачи, не нажимая пальцем на кнопку, а щелкая мышкой на ее изображении на экране. Специалисты НАСА пошли по пути создания виртуальных компьютерных тренажеров, в то время как российский Центр подготовки космонавтов постоянно ориентировался на полноразмерные точные макеты космических кораблей с реальными приборами управления, моделируя с помощью вычислительной техники недостающие процессы.

Практика показала, что экипажи, готовившиеся на комплексных тренажерах в ЦПК, в космосе совершали гораздо меньше ошибок, чем те, что прошли подготовку с помощью виртуальных средств.

В ЦПК в начале 1980-х начали строить виртуальные тренажеры, но они использовались только на первой стадии обучения для знакомства с техникой и логикой ее работы, а навыки приобретались и отрабатывались на реальных комплексных тренажерах.

Еще одна разновидность тренажеров — специализированные, на которых отрабатывается определенная операция, например подлет к станции и стыковка. Хотя штатный режим стыковки — автоматический, реально в нем осуществляется лишь около половины стыковок. Другую половину приходится выполнять в ручном режиме. Чтобы добиться хороших навыков ручной стыковки, необходимо выполнить от 200 до 400 повторов операций, на что уходит от 50 до 80 тренировочных сеансов.

Внутри стойки УСО.
Количество каналов может
достигать нескольких тысяч

Кроме тренажера “Стыковка” есть специализированный тренажер “Выход” для отработки операции выхода в открытый космос: человек должен надевать скафандр, проверять и поддувать его, затем стравливать давление, открывать люк и т. д. Есть специализированные тренажеры для отработки навыка ориентации по Земле и звездам. Существует тренажер, на котором отрабатывается операция посадки. И, наконец, имеются комплексные тренажеры, с их помощью моделируется большинство полетных операций — от старта до приземления.

Комплексные тренажеры используются и для проверки знаний экипажа перед полетом. Космонавты подобно студентам сдают экзамены на готовность к полету. Их принимают члены комиссии, состоящей из разработчиков корабля, специалистов Центра подготовки космонавтов. Экзамен строится по программе полета и состоит из двух частей: первая -- вывод корабля на орбиту и стыковка со станцией, вторая — спуск на Землю. Один из членов экипажа достает билет, в котором описывается аварийная ситуация, но в отличие от студентов не открывает его, а передает запечатанным в приемную комиссию, которая моделирует выбранную нештатную ситуацию. Задача экипажа -- выполняя программу полета, своевременно выявить аварию и адекватно отреагировать на нее. Ситуации же проигрываются самые разные — от отказов двигательных систем до проблем с системой жизнеобеспечения.

Как развивались тренажеры

В начале своего развития космическая техника была сравнительно несложной и тренажеры строились, исходя прежде всего из возможностей человека и его реакций. Отсюда был выбран квант времени обработки и представления информации в 100 мс. Если давать информацию чаще, то человек не успевает реагировать и не замечает изменений — для него она представляется непрерывным потоком. Все скоростные характеристики вычислительных систем, используемых в тренажерных комплексах, определялись физиологическими возможностями человека.

В первое время на борту и в тренажерах стояли простые, зачастую аналоговые вычислительные машины — МН-18. Затем по мере развития вычислительной техники они были заменены на цифровые ЭВМ — “Днепр”, М-220, М-222, ЕС ЭВМ.

Следующий значительный шаг — переход от вычислительной машины для каждого тренажера к идее распределенного тренажного комплекса.

Первые распределенные вычислительные системы, которые строились в 1970-1980-е и состояли из четырех-шести больших вычислительных машин класса EC-ЭВМ и приблизительно из двух десятков СМ-ЭВМ, обеспечивали режим реального времени с характерной реакцией 100 мс. За этот период они успевали просчитать достаточно сложную динамику, обменяться между собой данными по каналам связи и представить информацию оператору. Тогда же была реализована схема распределенной тренажерной системы: — единый вычислительный комплекс обслуживал от семи додесяти тренажеров, работая одновременно на несколько тренировок.

Крупный комплексный тренажер обслуживали три машины типа EC-1066, а также коммутационные ЭВМ и машины, которые использовались как комплексы УСО. Требования к тренажерам определялись возможностями вычислительной техники —- по мере поступления более мощных машин модели становились все сложнее, увеличивалась “глубина моделирования”.

Любопытно, что штатной ОС для системы ЕС-ЭВМ была МVТ 6.1 — универсальная операционная система, предназначенная в первую очередь для пакетной обработки информации. Чтобы заставить ее функционировать в режиме реального времени, пришлось пойти на определенные ухищрения — разными способами перехватывать прерывания.

Где-то в 1978-1979 гг. в ЦПК была создана система пакетной передачи сообщений в тренажерной сети ЭВМ. Для обмена информацией между разными процессами, исполнявшимися на различных машинах, обслуживающих тренажеры, была организована своеобразная почтовая служба: данные сопровождались заголовком, в котором указывались адреса отправителя и получателя и время генерации сообщения, а сформированный таким образом пакет попадал в коммуникационную машину, которая по таблицам коммутации определяла путь назначения. Пакеты были разной длины и могли адресоваться сразу нескольким адресатам. Проект разрабатывался независимо от развития технологии Ethernet, идея которой была сформулирована Робертом Меткалфом и Дэвидом Боггсом в 1973 г., а сетевой адаптер создан в 1982-м. Эта система увидела свет, когда летала орбитальная станция “Салют-7” (1982-1991), и использовалась на протяжении всей истории полетов станции “Мир”. Идеи сетевой передачи информации появлялись в различных проектах, поскольку это было обусловлено логикой развития вычислительной техники. В космических тренажерах ЦПК они нашли свое материальное воплощение, даже несколько опередив Ethernet, причем эти идеи сразу реализовывались для условий реального времени.

Следующий прорыв в применении вычислительной техники в космическом тренажеростроении был связан с переходом на магистрально модульные системы и открытые технологии. С помощью российской компании RTSoft, являвшейся одним из пионеров в идеологии и практике применения в России таких систем, в космических тренажерах начали широко применяться решения на базе шин VME и CompactPCI, соответствующие инструментальные средства и операционные системы реального времени.

Рассказывает Валерий Григорьевич Синельников, руководитель тренажерного управления Центра Подготовки Космонавтов им. Ю.А Гагарина. >— В конце 1970-х — начале1980-х годов был создан специализированный вычислительный комплекс тренажерной системы для подготовки космонавтов на базе ЕС-ЭВМ и СМ-ЭВМ. Затраты на его создание были большими, ведь в этой работе принимали участие большие коллективы специалистов нескольких институтов и предприятий. Долгие годы система успешно работала, и лишь в 90-е годы, с развалом кооперации электронной промышленности, когда закончился набор ЗИП и ЕСовские машины, не отличавшиеся повышенной надежностью (у них по паспорту допускался один сбой в четыре часа), начали выходить из строя, пришлось решать задачу продолжения эксплуатации. В комплексе могло быть занято до 20 машин, поэтому оказывалось, что каждый сбой происходит примерно через 30-40 мин. При этом экипаж в скафандрах не может ждать, когда перезагрузится вычислительный комплекс. Стали искать выход. Переход на современную технику означал переписывание огромного пакета программ, подготовленных на ассемблере и Фортране, на разработку которого были потрачены многие годы. Ведь была создана специальная распределенная оболочка, обслуживавшая комплекс, организованы необходимые каналы связи. Все было отлажено с учетом требований реального времени передачи информации. И мы столкнулись с такой проблемой — есть великолепный комплекс прикладного программного обеспечения, у которого отсутствует надежная аппаратная поддержка, так как старые аппаратные средства уже не выпускались из за развала промышленной кооперации.

Пульт инструкторов —
центр управления тренировкой

Чтобы выйти из создавшегося положения, мы начали применять машины COMPAREX с системой команд совместимой с IBM серии 370 (у них надежность была значительно выше, чем у ЕС ЭВМ) и переносить на них в режиме имитации ОС ЕС МVТ 6.1 вместе со всем прикладным тренажерным ПО. Поскольку системы команд совпадали, основные проблемы при переносе возникли с канальными программами, из-за того, что у нас были нестандартные коммутаторы. Так как новые машины были более быстрыми, то пришлось потратить немало усилий, чтобы затормозить каналы ввода-вывода COMPAREX и привести их характеристики в соответствие с требуемыми. ЕСовские дисковые накопители сымитировали на уже появившихся ПК, для чего понадобилось разработать специальный адаптер, который представлялся ЕСовским диском. И в течение последних пяти лет, пока “долетывала” станция “Мир”, мы успешно проводили сложные комплексные тренировки на этом решении, практически без сбоев и отказов.

Международная космическая станция…

Современный этап развития тренажеров в ЦПК связан с началом проекта МКС. Он отличается тем, что сам объект моделирования — международная космическая станция — насыщен вычислительной техникой. При полном развертывании на МКС должно быть более двухсот компьютеров

Управляющие компьютеры стандартизированы и выполняют каждый свою задачу: один поддерживает температуру, другой — контролирует газовый состав, третий — динамику и т. д. На американском сегменте станции это модули MDM на процессоре 386. Эти машины хорошо отработаны, имеют выход на шину MIL-1553, отличаются низким энергопотреблением и соответственно мало излучают тепла. Последнее очень важно, ведь в космосе излучаемое тепло — большая проблема, поскольку его необходимо отводить.

Кроме управляющих компьютеров у экипажа есть лаптопы — обычные ноутбуки IBM ThinkPad 760-й серии в специальном космическом исполнении. Через них осуществляется выполнение всех операций на станции. Экипаж оснащается несколькими типами лаптопов — для управления станцией, для связи с центральным сервером и для информационной поддержки экипажа (электронная почта и т. п.). Одинаковые по аппаратному обеспечению, они имеют различные наборы ПО. Такой подход позволяет добиться повышенной надежности: если один компьютер выходит из строя, его легко заменить другим, просто перезагрузив набор программ. В результате у экипажа нет кнопок, а все управление осуществляется посредством лаптопа.

Американцы — приверженцы полной компьютеризации на МКС. Российский подход более прагматичен. Развивая компьютерную часть управления, у нас на всякий случай сохраняют возможность ручного выполнения критичных операций. Разница бросается в глаза при сравнении американского и российского сегментов станции. В отличие от нашего, в котором еще можно увидеть различные пульты, внутри американского — практически четыре голые стены и розетки для подключения лаптопов.

На борту станции находится несколько сетей — MIL-1553, оптоволоконная сеть и медный Ethernet. По MIL-1553 в американском сегменте общаются между собой бортовые управляющие компьютеры: компьютеры экипажа общаются по оптике, по ней же осуществляется и голосовая связь. Информационная сеть, в которую выходят библиотека, система инвентаризации (где что лежит) и другие малокритичные системы, реализована на Ethernet. Планируется, что в впоследствии сети будут объединены, поскольку необходим обмен информацией между ними.

Станция постоянно меняется — что-то привозится, что-то наоборот убирается. Причем американцы делают это целыми шкафами: эксперимент завершен — “Шаттл” забирает оборудование, заменяя его новым.

…и ее тренажеры

Сложность объекта моделирования поставила перед создателями тренажеров для проекта МКС новые задачи. Современные вычислительные системы на борту стали очень насыщенными и сложными. Создавать точную модель ее работы — задача бессмысленная. Поэтому берется готовая система и “обкладывается” средствами имитации. Получается даже не эмуляция бортовой системы, а ее перенос на аналогичную платформу, но в другом исполнении. Тренажер должен в первую очередь обеспечить бортовые компьютеры сигналами от всех недостающих частей комплекса, чтобы у него создать “впечатление” того, что он находится в космосе, а уж тот, в свою очередь, транслирует эти сообщения для экипажа. Естественно, что у бортовой системы собственные требования к скорости поступления информации, отличные от тех 100 мс, предельных для человека.

Еще один момент. В МКС входит ряд российских и американских модулей, разрабатываются модули Европейского космического агентства и Японии, а также российский транспортный корабль. Хотя все они создавались отдельно, будучи состыкованными на орбите, они работают как единый комплекс с единой внешней динамикой. На американской части станции располагаются гиродины, поддерживающие ориентацию станции, а в российском сегменте — двигатели, с помощью которых время от времени осуществляется коррекция орбиты. Их деятельность тесно взаимосвязана, поэтому и тренажер должен отражать эту связь. Кроме того, у станции единая внутренняя среда — если повысилось содержание СО2, то это происходит по всему объему станции, разгерметизация также будет общей, как и пожар.

Изнутри тренажер спускаемого
аппарата "Союза-ТМА"
в точности соответствует
реальному кораблю

Собрать же все тренажеры в одном месте мешают экономические и политические соображения, поскольку сторона, контролирующая подготовку космонавтов, получает дополнительные рычаги влияния на весь проект. Каждый участник проекта МКС создает свой тренажерный комплекс по своему сегменту у себя в стране.

Такой тренажер можно создавать двумя способами. Первый — построение распределенных моделирующих систем. Подобная технология — HLA — развивается на Западе для моделирования ситуации на поле боя. После “примерки” ее на космические тренажеры оказалось, что она выдвигает высокие требования к каналам связи, одно из которых -- малое время реакции, что не всегда достижимо, поскольку информацию нужно передавать через океан, а это может приводить к большим временным задержкам, причем зачастую непредсказуемым. Местное же бортовое обеспечение не ждет — оно просто фиксирует отсутствие сигнала и переходит к аварийным действиям по заложенной логике. Поэтому от предложенной схемы пришлось отказаться и пойти по другому пути.

Были созданы эмуляторы недостающих частей станции. В ЦПК отсутствует тренажер американского сегмента. Вместо этого стоит аппаратура, которая “подыгрывает”, эмулируя его. Она принимает исходные данные и выдает реакцию отсутствующего сегмента. Аналогично американский тренажер основного сегмента оснащен эмулятором российского сегмента станции. И хотя обмен между эмулятором и одноименным тренажером на другой стороне океана есть, он происходит уже не в режиме реального времени.

Но тем не менее задача распределенного моделирования и организации взаимодействия между тренажерами стоит на повестке дня, если, конечно, будет развиваться кооперация в космическом пространстве. А пока экипаж вынужден тренироваться сессиями — то в Америке, то в России, причем по мере наращивания сегментов эти тренировки придется выполнять еще в Германии и Японии.

Как создавались тренажеры МКС

Когда начались переговоры специалистов ЦПК с НАСА по проекту МКС, стало ясно: несмотря на то что развитие тренажеров шло независимыми путями, техническая целесообразность привела к появлению похожих идеологий и решений, поэтому интегрировать их между собой было довольно легко. На нижнем уровне использовались открытые решения VME. На верхнем поначалу и отечественные, и американские специалисты использовали технику Silicon Graphics, поскольку в то время это были уникальные машины. При этом пришлось всю программную оболочку переносить на новую платформу. Сейчас в ЦПК установлены тренажеры орбитальных модулей “Звезда” и “Заря” и имитатор американского сегмента МКС, эмулирующий прохождение команд в этом сегменте.

В последние пять лет обе стороны отказались от платформы SGI. Сейчас на верхнем уровне тренажеров используются обыкновенные ПК — некоторые в промышленном исполнении, некоторые в обычном офисном. Графические платы также не отличаются от обычных, используемых в современных играх.

Для связи комплексов с самого начала была проложена оптика (в ЦПК стоят здания промышленного типа, и наводки со стороны электрооборудования здесь возникают очень значительные), а для связи на небольших расстояниях для клиентских машин и серверов — медный Ethernet.

Перспективы развития тренажеров

Основное направление развития тренажерной техники — создание распределенных имитаторов. Жизнь идет, и все время появляется новое оборудование, новые версии ПО. В современной схеме работы это означает постоянные взаимные командировки сотрудников тренажерных центров , когда необходимо запускать новые версии ПО на месте, что, в свою очередь, ведет к увеличению расходов.

Выход прост — строить тренажерные базы. Когда нужно провести тренировку, достаточно позвонить на сопряженную базу и попросить включить соответствующее оборудование. Космонавты тренируются в одном месте, а их поддерживают серверы с недостающего сегмента, тем более что расхождение по времени позволяет эффективно задействовать оборудование. Но требуется решить ряд проблем с каналами связи и задержками распространения сигнала. Сейчас существуют специальные стандарты и языки, на которых можно создать подобную систему, но тут требуются серьезные финансовые вложения.

Если бы сегодня начиналась новая космическая программа вроде полета на Марс, то под нее заранее закладывались бы именно такие решения, подразумевающие, что тренажеры должны быть распределенными и интегрированными.

Статья опубликована в PCWeek/RE № 12 от 13.04.2006 г.
Печатается с разрешения редакции
Статья помещена в музей 24.04.2006 года