КОСМОС: Компьютеры особого назначения

КОСМОС: Компьютеры особого назначения

Автор: Александр Бумагин

Минувшим летом на Международной космической станции случилось сразу несколько неприятностей, связанных с компьютерами. В июне компьютерный сбой нарушил работу российского сегмента МКС. В июле американцы обнаружили, что в одном из компьютеров, который должен был отправиться на станцию, перерезаны провода. В августе – вышел из строя один из управляющих компьютеров американского сегмента. Александр Бумагин попытался выяснить, что там все время ломается, и что это такое вообще – компьютеры для космоса.

Cловосочетание "компьютеры МКС" многие воспринимают абстрактно, для специалистов же это выражение вообще мало, что значит, так как на станции одновременно находятся десятки компьютеров, произведенных в разных странах по совершенно разным технологиям. Однако прежде чем переходить к частностям, стоит, наверное, пару слов сказать о том, как управляется МКС.

Станция – в большой степени, российско-американский проект – не имеет единого центра управления. С одной стороны, это увеличивает надежность и дает возможность каждой стране работать со своей, хорошо знакомой техникой, а с другой – трудно представить, что названные партнеры уступили бы друг другу в этом вопросе первенство [Политическая важность роли лидера в проекте привел и к тому, что из-за разногласий так и не ввели никакого названия для МКС: вариант «Альфа» отклонили мы, «Атлант» – американцы. Даже в системе координат, привязанной к станции, у нас по-разному направлены оси. Векторы у нас разные]. Есть два ЦУПа [И третий заработает, когда ЕКА запустит свой первый грузовой корабль ATV], в Москве (ЦУП-М) и в Хьюстоне (ЦУП-Х), которые, обмениваются телеметрическими и статусными данными друг с другом. ЦУП-М поддерживает связь с бортовым комплексом управления (БКУ) российского сегмента, получая с орбиты данные телеметрии и посылая в обратную сторону необходимые команды. То же самое происходит между ЦУП-Х и американским сегментом [В каждом из ЦУПов предусмотрены аварийные сектора управления не своим сегментом, на случай ЧП по другу сторону океана. В Хьюстоне дежурят наши специалисты, в Москве – американские]. Бортовые комплексы управления обоих сегментов обмениваются необходимыми данными между собой, при этом российский и американский комплексы устроены по-разному.

В российский БКУ входят Бортовая цифровая вычислительная система (БЦВС), Система управления движением и навигации (СУДН), Система управления бортовой аппаратурой (СУБА), Радиосистема управления и связи (РСУС), Система бортовых измерений (СБИ). Через РСУС идет обмен данными с Наземным комплексом управления (НКУ), с помощью СУБА осуществляется контроль над системами электроснабжения (СЭС), обеспечения жизнедеятельности (СОЖ), обеспечения теплового режима (СОТР), двигательной установкой (ДУ) и целевой аппаратурой. Транспортной магистралью между системами служит Бортовая кабельная сеть (БКС) [Да простится нам нагромождение аббревиатур в этом абзаце, но угловатость текста лишь подчеркивает сложность исследуемого предмета, ну а для упрощения к статье прилагается более наглядная схема. Кроме того, конечно же, перечислены вовсе не все системы и подсистемы, но расписывать их полное древо на полстатьи вряд ли разумно].

БЦВС стоит во главе всего БКУ. Ее ядром является та самая европейская система обработки данных (СОД) [Data Management System for Russian segment, DMS-R], с которой и произошли памятные проблемы. СМ «Звезда» является базовым модулем МКС именно потому, что СОД отвечает не только за функционирование российского сегмента, но и за многие аспекты работы станции в целом. СОД в значительной мере централизована. Главной на станции считается Центральная вычислительная машина (ЦВМ), которой должны помогать следить за отдельными системами в российском сегменте Терминальные вычислительные машины (ТВМ) в каждом модуле. Пока на станции одна ТВМ на СМ «Звезда» [Кроме того, для взаимодействия СОД с экипажем предусмотрено два пульта управления]. Таким образом, у ЦВМ и ТВМ задачи не одинаковы. ЦВМ отвечает за станцию и российский сегмент в целом, не отвлекаясь на задачи, выполняемые системами узкого назначения: для этого существует ТВМ. ЦВМ и ТВМ не имеют видеотерминалов, это управляющие вычислительные комплексы реального времени, которые функционируют во многом автономно.

МОДЕЛЬ ДЛЯ СБОРКИ

Даже планируя сборку домашнего ПК, мы часто выписываем желаемые комплектующие на листок бумаги (иногда виртуальный), прикидываем производительность, совместимость деталей, их стоимость и доступность замены в случае поломки или появления более совершенной замены. Аналогичная работа для компьютеров, установленных на СМ «Звезда», длилась не один год. Начало консультаций по этому вопросу между Россией и Европой пришлось на далекий 1992 год, когда планировалось запускать «МИР-2». Трудностей хватало. Европа не единое государство, и странам-участникам нужно было определиться со своим вкладом, а кроме того, европейцы рассчитывали использовать и в других своих аппаратах схожие компьютерные системы, что на их проектирование накладывало особый отпечаток. В России в 1990-х годах произошли памятные перемены, и в числе многих научных проектов закрылся и «МИР-2», а точнее, объединился с американской программой Freedom. Это также не могло не повлиять на итоговые спецификации. Только 1 марта 1996 года между ЕКА и Роскосмосом был подписан документ о взаимных обязательствах при создании СОД, основные работы по проектировке и производству которой велись немецкой компанией Daimler-Benz Aerospace Airbus (DASA).

На «Звезде» и «Заре» также работают более двух десятков так называемых устройств сопряжения (УС) – компьютеров, являющихся посредниками между ЦВМ/ТВМ и отдельными системами. УС могут самостоятельно поддерживать работу подконтрольных приборов в рамках, заданных центральными машинами (центральные машины, в свою очередь, имеют возможность в любой момент перехватить управление – при смене режимов, например, или при выводе сообщений об ошибках).

Структура американского сегмента иная. Единого компьютера, замыкающего все управление на себе, там нет и с большой натяжкой «главным» можно считать компьютер MDM C&C (Command and Control), отвечающий за связь между сегментами станции и Землей, а также за трансляцию управляющих команд. В узловом модуле Unity и лабораторном модуле Destiny так же, как и в российской части станции, обеспечивается работа множества приборов и систем, вот только управление это децентрализовано. В качестве управляющих компьютеров здесь используются так называемые мультиплексоры демультиплексоры (MDM). Можно сказать, что каждый компьютер американского сегмента занимается только своим делом, отсылая по сети необходимые для других систем данные и получая тем же путем нужную информацию из других частей станции и с Земли. Многие аналогичные системы в обоих сегментах станции работают или могут работать вместе (например, системы навигации и движения), и, как и было сказано ранее, обмен необходимой информацией идет чрез ЦВМ [ТВМ и GNC MDM (MDM, отвечающий за навигацию и управление движением в американском сегменте) связаны напрямую через отдельную шину].

Сеть на станции построена на базе мультиплексного канала ГОСТ В 26765-84 (аналог Mil-1553В – ну хоть здесь наши подходы совпали). К счастью или сожалению, но в работу многочисленных систем МКС должны вмешиваться члены экипажа, которые вооружены несколькими десятками портативных компьютеров. Некоторые из них имеют постоянное место и переносными считаются лишь номинально, а вот другие можно перемещать по станции и подключать к нужному оборудованию.

С 1998 года в российском сегменте исТЕОРИЯ космос Компьютеры особого назначения

пользовались четыре ноутбука Wiener PowerNote [Wiener – это российская торговая марка, принадлежащая компании R&K. Ноутбуков компания уже несколько лет не выпускает. Что же до «космических» ноутбуков, то никаких сомнений в том, что Wiener Power Note отправились в космос нет. Вопрос только в том, куда? Если верить новостям на сайте компании, то на станцию «Мир» в 1998 году. Если же верить немногочисленным публикациям на эту тему, то в 2003 году русские ноутбуки были уже на МКС. Отдельный вопрос: почему в космос полетели именно эти ноутбуки, а не какие-то другие? Никакой достоверной информации у нас на этот счет нет, однако логика подсказывает, что решение об отправке ноутбуков определенной компании может иметь, скорее, коммерческие причины – по крайней мере, если говорить об отправке ноутбуков с российской стороны (на МКС, кстати, могли оказаться и ноутбуки другого известного производителя, но в последний момент стороны не договорились). – Прим. ред.], но в основном, в обоих сегментах нашли применение модели IBM ThinkPad [Эти Thinkpad’ы по сравнению со своими земными аналогами кажутся выхолощенными – из них удалены средства беспроводной связи и такой бесполезный на орбите элемент как встроенный модем. Не в последнюю очередь сделано это, чтобы сократить энергопотребление портативных компьютеров до минимума] – 760XD в американском сегменте и 760ED – в российском. Учитывая конфигурацию (Pentium-166 с 64 Мбайт оперативной памяти), нет смысла удивляться тому, что производительности не хватало, и, порою, даже запуска нужного приложения приходилось ждать по несколько минут. Что касается операционной системы, то на лэптопах, входящих в группу Portable Computer System (PCS) и служащих для взаимодействия с бортовыми компьютерами, установлена ОС Solaris. Прочие лэптопы работали под Windows 98(SE). В 2003 году машины американского сегмента и три Wiener PowerNote у нас были заменены на IBM ThinkPad A31P [Pentium IV и Windows 2000; сохранен выбор в пользу Solaris для группы PCS].

КОМПЬЮТЕРЫ-ДУБЛЕРЫ

Так как ошибки компьютеров на орбите могут стоить очень дорого, то при работе вычислительных систем в обоих сегментах предусмотрено резервирование. Во всех (не только главных) компьютерах российского сегмента предусмотрена трехканальная система резервирования. Каждая ВМ состоит из трех изолированных друг от друга компьютеров, производящих все вычисления параллельно, а за единственный верный результат принимается тот, который получился как минимум у двух компьютеров из трех. В случае сбоя одного из компьютеров (или, как говорят, каналов) система переходит на режим работы с двумя компьютерами (двухканальная конфигурация), в случае сбоя двух – работает лишь один, и, наконец, при сбое всех трех каналов, вся система автоматически перезагружается и изначально устанавливается трехканальный режим работы. Подобные перезагрузки, свидетельствующие о сбое всех шести главных компьютеров ЦВМ и ТВМ, стали напастью во время памятной аварии. На американском сегменте (АС) свои порядки. Только для самых важных компьютеров АС предусмотрено тройное резервирование. Принцип его другой. Один из трех компьютеров управляет системой, другой включен и готов перехватить контроль, в случае сбоя с первой машиной (горячий резерв), а третий компьютер находится в холодном резерве, иначе говоря, выключен.

Раз уж мы коснулись начинки ноутбуков [А ведь у экипажа есть еще и наладонники HP iPAQ H5550, которые иногда более удобны в использовании, чем ноутбуки], самое время сделать круг и перейти к внутренним подробностям бортовых компьютеров. Здесь балом правят раритеты. ЦВМ и ТВМ весят около шести килограмм, но потребляют всего 49 Вт мощности. Они сконструированы на базе процессоров ER32, изготовленных по технологии SPARC V7 (32 разряда, 10 MIPS при 14 MГц, ОЗУ 8 Мбайт, ПЗУ 4 Мбайт).

Ошибочно, впрочем, полагать, что лучше и надежнее использовать новейшие решения. Старые процессоры изучены настолько, что все их особенности известны досконально. Кроме того, современные процессоры гораздо более уязвимы перед внешними излучениями, чем их предшественники [Во многих источниках упоминается, что старые процессоры более устойчивы к разного рода излучениям (что, конечно, правда), однако вряд ли именно эти соображения принимались в расчет при выборе конфигурации ноутбуков – в конце концов, ноутбуки работают внутри космической станции, в относительно безопасном окружении. Свой отпечаток на работу компьютеров на орбите накладывает и особый температурный режим: в условиях невесомости нет конвекции, а потому переработка системы охлаждения также является необходимым условием для типовых моделей, претендующих на отправку в космос. Наконец, техническое отставание портативных решений – результат обыкновенной инерции. Прежде чем решение об отправке на борт новой техники будет принято, нужно провести всестороннее тестирование, подготовить машины должным образом, убрав из них все лишнее. Если учесть, что для отправки в космос сознательно выбираются решения, "проверенные временем", то понятно, что к моменту доставки они успевают окончательно морально устареть].

К тому же, производительности используемых в СОД процессоров вполне достаточно: это только нас с вами можно «раскрутить» на очередной апгрейд ради неимоверно быстрой работы с текстовыми документами. ЦВМ и ТВМ спокойно работают под не слишком известной операционной системой VxWorks [Операционная система реального времени компании Wind River Systems. Аналогичные системы управляют, например, марсоходами Spirit и Oportunity, а также зондом Mars Reconnaissance Orbiter], не испытывая никаких эмоций при появлении на Земле Windows Vista.

Контроллеры отдельных систем российского сегмента представляют собой российские разработки УС-21 и УС-22 (микропроцессор М 8 °C186ЕВ; ОЗУ, ПЗУ и ЭППЗУ – 256 Кбайт, 256 Кбайт и 512 Кбайт соответственно; масса – 6,45 кг; потребляемая мощность – 24 Вт).

В NASA тоже исходят из принципов надежности и предсказуемости поведения электроники. И на Марс, и на орбиту посылаются приборы, основанные вовсе не на процессорах последних лет. Их MDM на МКС построены на базе процессора Intel 80386SX (12 MГц или 16 MГц с математическим сопроцессором [Неверно полагать, что 386-е процессоры больше не выпускаются. На израильской Fab 8 компании Intel производят эти и другие старые процессоры, которые пользуются достаточным спросом, и не только в космонавтике. В то же время недостаток комплектующих побудил NASA скупать старое железо через интернет-аукционы. Напомним, что шаттлы, компьютеры на которых тоже не отличаются новизной процессоров, летают очень давно, и с каждым годом все труднее найти замену выходящим из строя деталям]). Программирование для этих машин осуществляется на языках C, C++, ADA и ADA 95.

ХРОНИКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СБОЕВ

Нынешнее лето богато на материалы в прессе, так или иначе связанные с компьютерной начинкой МКС.

Самое нашумевшее событие – выход из строя всех шести основных компьютеров российского сегмента (ЦВМ и ТВМ). Официально о причинах неполадок так и не было сообщено, но произошло все после того, как американские астронавты подключили к системе энергообеспечения новые панели солнечных батарей. Восстановить работу компьютеров удалось через несколько дней нештатным образом, подключив их к питанию, минуя некоторые второстепенные узлы. Всерьез задумывались о возможной эвакуации, но к счастью, до этого не дошло. В настоящий момент первоначальная конфигурация питания ЦВМ и ТВМ восстановлена.

Затем служащий одного из подрядчиков NASA перерезал провода внутри компьютеров, предназначенных для шаттла, который вот-вот должен был отправиться к МКС. Неполадку обнаружили во время предполетных проверок, а о причинах такого поведения диверсанта официальные лица тоже пока молчат.

Наконец, самая недавняя проблема, которая в прессе прошла почти незамеченной, а именно: в середине августа в ходе визита того же шаттла «Индевор» и во время выхода американцев в открытый космос произошел сбой компьютера MDM C&C в американском сегменте. Сработала система резервирования, и управление взял на себя компьютер-дублер. По заявлениям и NASA, и Роскосмоса, никакой угрозы космонавтам не было, а причины происшествия как-то странно оставили в стороне. Это скучное с виду событие обернулось неожиданным скандалом.

Дело в том, что по информации, которая появилась в Интернете, российскими радиолюбителями были перехвачены разговоры наших космонавтов с ЦУПом по поводу описанного инцидента. Если верить не слишком четкой аудиозаписи (www.radioscanner.ru/files/download/file3542/msk_11_08_07.

wav), то некий астронавт Колл (который в списках астронавтов вовсе не значится – правда, там значится Клэйтон Андерсон, а в записи при некоторой усидчивости можно расслышать не «Колл», а "Клэй"), желая сфотографировать Землю, выключил, все, что только можно, дабы обеспечить темноту на станции. Это, дескать, повлекло за собой отключение нескольких систем, в том числе, систему управления температурой и названный компьютер. На самом же деле, по данным наших источников, инцидент свелся лишь к безобидному обесточиванию одного из научных российских приборов, при этом электропитание было вовремя восстановлено без ущерба для проводимого эксперимента (аутентичность записи нам при этом подтвердили). Компьютерный же сбой на американском сегменте никак не связан с действиями астронавта-фотолюбителя. С другой стороны, Колл или не Колл, но «мальчик» все-таки был.

Собственно программы для находящихся в космосе компьютеров различаются так же, как и компьютеры, для которых они написаны. Космонавты переписываются по электронной почте, и вряд ли нужно что-то особенное для этого придумывать. В то же время, трудно найти «наземное» применение программам, управляющим процессом стыковки или выходом в открытый космос. Там, где это было возможно, использовался обычный или слегка видоизмененный софт. Прикладные программы, призванные решать специфичные задачи, которых в космосе предостаточно, писались с нуля. По этой причине, на лэптопе космонавта ярлык для запуска Word вполне может соседствовать с ярлыком специальной программы, отслеживающей местонахождение каждого прибора и любого винтика на станции. Само собою, и здесь предпочтение отдается проверенным в своем поведении решениям, поэтому новейшие обновления, выпускаемые софтостроителями на Земле, в космос переносить не торопятся. В то же время набор программ не является жестким. При надобности, в программное обеспечение ТЕОРИЯ космос изменения вносятся. Например, не так давно БВС перепрограммировалась в связи c относительно скорым прибытием к станции европейского корабля ATV.

И в России, и в США есть необходимое для тестов оборудование, имитирующее работу систем, функционирующих на орбите. Уникальные программы, прежде чем заменить собою предыдущую версию, проходят отладку на моделях.

Особо отметим, что постоянного доступа в Интернет на МКС нет, так как существующие каналы связи и без того не пустуют, передавая техническую и научную информацию. Конечно, возможно организовать и чат, и видеоконференцию, когда есть необходимость, но нормой это назвать трудно.

Космонавты имеют доступ к электронной почте, которая, правда, не отличается оперативностью. Три раза в сутки сохраненные письма с орбиты пересылаются на особый сервер в NASA, откуда попадают уже к своим получателям. То же самое происходит с принимаемой почтой: перед сеансом обмена корреспонденцией космонавты сообщают о тех своих адресах, с которых желают принять сообщения.

Таким образом, устроить DоS-атаку на компьютеры МКС вряд ли получится, а что касается нежелательной почты, то для нескольких человек ее и вручную можно отсечь. К сожалению, и без этого те или иные проблемы в орбитальной "компьютерной группировке" случаются: слишком велика и сложна станция для того, чтобы все на ней работало без сучка и задоринки.

Программные сбои и переустановки там тоже не в диковинку, а ошибки случаются, как и везде, в самый неподходящий момент. Вот только безобидные в домашних условиях зависания или самопроизвольные перезагрузки становятся зловещими, если речь идет о компьютерах, от которых действительно могут зависеть жизни людей.

Увы, независимо от того, где распложен такой компьютер – в больнице, на АЭС или на орбите – он остается электронным прибором, сделанным по людским технологиям, которым идеальность пока не присуща.