Автореферат на тему «Автоматизация процессов создания бортовой системы картографической информации и ее компонентов»

Она отвечает за отображение экипажу пилотажной, навигационной, обзорной и других видов бортовой информации. Отображение навигационной информации является одной из наиболее важных функций систем самолетовождения, так как без получения своевременной информации о местоположении летательного аппарата пилот не может определить, в правильном ли направлении он движется, не произошло ли отклонение летательного аппарата от маршрута полета и требуется ли коррекция траектории, если она не соответствует заданной. В аварийных ситуациях так же критична информация о ближайших аэродромах, где можно совершить внеплановую посадку.

Наиболее информативный вид навигационных индикационных кадров, отображаемых системой индикации, – карта рельефа местности. Обычно, помимо отображения самой карты, требуется произвести совмещение дополнительной информации на основе текущих условий полета. На данный момент реализации подобных функций существуют, однако, из-за высокой требовательности к вычислительным ресурсам, даже несмотря на постоянный рост возможностей оборудования, возникают ограничения по объему предоставляемой экипажу информации.

Таким образом, актуальной становится задача исследования проектных решений в области создания бортовых систем картографической информации (БСКИ). В ходе работы по повышению эффективности и быстродействия алгоритмов и структур данных, разработчики авионики сталкиваются с проблемой, связанной с отсутствием автоматизированных средств, поддерживающих процесс автоматизации создания БСКИ и ее компонентов. При этом, к разработке БСКИ предъявляются повышенные требования, поскольку в результате принятия ошибочных проектных решений может быть спровоцировано возникновение аварийной ситуации. Несмотря на ряд существующих решений, облегчающих и автоматизирующих процесс создания бортовых систем картографической информации, задачу автоматизации разработки нельзя считать решенной в полной мере, что делает актуальным создание единой системы автоматизированного проектирования (САПР), результатом работы которой станет полный набор компонентов, необходимых для разработки бортовых картографических систем.

Значительный вклад в развитие САПР внесли работы отечественных ученых Сольницева Р.И., Майорова Н.Н. и др., в том числе работы Жаринова И.О., Жаринова О.О., Видина Б.В., Парамонова П.П. и др., посвященные САПР, решающим задачи авионики. Разработкой автоматизированных средств, решающих задачи проектирования геоинформационных ресурсов занимается ряд отечественных фирм, в частности: КБ «Панорама», ЗАО «НПО Центр Электронной Картографии и Систем автоматизированного проектирования», Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика». За рубежом подобные средства проектирования представлены разработками компаний Esri Corporation, Windriver, AutoDesk.

Цель диссертационной работы состоит в создании и исследовании средств автоматизации проектирования, автоматизирующих процессы разработки, отладки и тестирования компонентов бортовых систем картографической информации.

Объектом исследования диссертационной работы является бортовая система картографической информации, отвечающая за обработку геоинформационных ресурсов и формирование картографических изображений в составе бортового навигационного комплекса авионики.

Предметом исследования диссертационной работы являются средства автоматизированного решения проектных задач разработки, отладки и тестирования компонентов бортовых систем картографической информации.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Разработать алгоритм автоматизированного формирования индикационных кадров, используемый в составе бортовой системы картографической информации.
2. Разработать структуру данных бортовой системы картографической информации, обеспечивающую скоростной доступ пользователя (пилота) к геоинформационным ресурсам.
3. Разработать автоматизированное рабочее место для генерации и исследования проектных решений в области создания компонентов бортовых систем картографической информации.
4. Разработать новое средство взаимодействия «проектировщик – система», основанное на принципах программной эмуляции аппаратного обеспечения.
5. Разработать средства автоматизации взаимодействия инструментальной электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с аппаратной платформой бортовой системы картографической информации.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, теория выбора, методы и алгоритмы автоматизированного проектирования, теория автоматов. В процессе решения задач диссертационного исследования применялись методы объектного-ориентированного программирования.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. Предложена структура данных, повышающая скорость доступа пользователя к геоинформационным ресурсам в процессе формирования на борту летательного аппарата индикационных кадров, содержащих картографическую информацию.
2. Предложен алгоритм автоматизированного формирования индикационного кадра, основанный на принципе соответствия числа отображаемых слоев и наполнения массива геоинформационных данных текущей полетной ситуации.
3. Предложена схема автоматизированного рабочего места для создания компонентов бортовых систем картографической информации, включающая программное, математическое, информационное и технологическое обеспечение САПР.
4. Предложен набор программных средств, автоматизирующих процессы подготовки, отладки и тестирования компонентов бортовой системы картографической информации.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования:

1. Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для решения задачи автоматизации процессов создания БСКИ, осуществляющих предоставление летному составу геоинформационной информации в процессе полета.
2. Предложенные алгоритмы и структуры являются составной частью программного обеспечения (ПО) САПР, отвечающего за формирование индикационных кадров, содержащих геоинформационные данные.
3. Предложенные компоненты САПР являются основой для создания инструментальных средств автоматизации процессов создания компонентов БСКИ и их использования на последующих этапах сопровождения системы в эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм и структура данных, позволяющие автоматизировать процесс формирования картографических изображений и обеспечить заданные значения динамических характеристик отображения индикационных кадров, необходимых для успешного решения задачи оперативного картографирования в условиях полета летательного аппарата.
2. Автоматизированное рабочее место и универсальный протокол взаимодействия инструментальной ЭВМ с аппаратной платформой БСКИ, обеспечивающие процессы генерации и исследования проектных решений в области создания и тестирования компонентов БСКИ.
3. Система автоматизированного проектирования компонентов бортовой системы картографической информации, основанная на принципах программной эмуляции аппаратного обеспечения.
4. Система автоматизированного проектирования для генерации проектных решений в области создания конфигурационных данных бортовой системы картографической информации.

Апробация результатов диссертационного исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных конференциях, в том числе на: XLII-XLIV научной и учебно- методической конференции, НИУ ИТМО (2013-2015 г.); XV-XVII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». (2013-2015 г.); II Всероссийском конгрессе молодых ученых СПб НИУ ИТМО (2013 г.); Молодежной научно- практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике-2014», МАИ (2014 г.); XХ Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск (2014 г.); XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи. Математика и Информатика», г. Анжеро-Судженск (2014 г.); XIII Международной научно-практической конференции им. А.Ф. Терпугова «Информационные технологии и математическое моделирование», г. Анжеро-Судженск (2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 2 статьи опубликованы в изданиях, отраженных в базе цитирования Scopus, 6 работ опубликованы в сборниках научных трудов всероссийских, региональных и международных конференций.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются в разработках ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ

«Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова». В частности, при создании бортовых систем картографической информации внедрены:

1. Алгоритм автоматизированного формирования индикационных кадров.
2. Структура данных картографической информации, используемая для генерации картографических изображений.
3. Автоматизированное рабочее место для исследования свойств и параметров средств работы с картографической информацией, включающее программное, информационное и технологическое обеспечение САПР.

Также результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики на кафедре Машинного проектирования бортовой электронно-вычислительной аппаратуры (МПБЭВА).

Основные понятия, определения и результаты диссертационного исследования введены в следующие дисциплины:

1. Методы и средства отображения информации аналого-цифровых вычислительных комплексов;
2. Автоматизация проектирования аппаратных и программных компонентов аналого-цифровых вычислительных комплексов.

В данных дисциплинах внедрены следующие результаты диссертации:

1. Средства автоматизации конфигурирования компонентов бортовой системы картографической информации.
2. Средства эмуляции аппаратного обеспечения и средства взаимодействия инструментальной ЭВМ с аппаратной платформой БСКИ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 26 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 84 наименования. В приложении диссертации представлены акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе содержится обзор известных технических решений и постановка задачи диссертационного исследования.

Произведен обзор методов и средств генерации геоинформационных ресурсов. Рассмотрены принципы декомпозиции картографических изображений. Приведены примеры моделей организации пространственных данных. Описана роль бортовой системы картографической информации в составе авиационного комплекса. Произведен анализ существующих средств автоматизации подготовки геоинформационных ресурсов.

В результате проведенного анализа выделены основные этапы процесса создания бортовых систем картографической информации, подлежащие автоматизации. Среди них особо выделены: процесс создания файлов конфигурации и процесс отладки БСКИ с занесенным в нее программным обеспечением. С целью снижения временных затрат и повышения качества проектируемого изделия предложено решить следующие задачи:

• разработать схему автоматизированного рабочего места проектировщика компонентов БСКИ;
• разработать инструментальные средства, позволяющие автоматизировать процессы, связанные с подготовкой компонентов БСКИ;
• предоставить проектировщику возможность взаимодействия с аппаратной платформой, либо ее программной имитацией (эмулятором) для осуществления проверки корректности работы проектируемой системы.

Во второй главе рассмотрены способы повышения качества проектирования бортовых систем картографической информации. Предложены: схема автоматизированного рабочего места разработчика; унифицированный алгоритм автоматизированного формирования индикационных кадров; структура входных данных для обеспечения динамических характеристик доступа к геоинформационным ресурсам.

В первой части главы описана схема предложенного автоматизированного рабочего места, позволяющего создавать, отлаживать и тестировать функциональные приложения и физические компоненты бортовой системы картографической информации. Схема автоматизированного рабочего места приведена на рис. 1.

В состав автоматизированного рабочего места разработчика входят: программная среда разработки, на выходе которой формируются бинарные файлы; автоматизированное средство создания конфигурационных данных; автоматизированные средства работы с отладочной информацией; программа- эмулятор аппаратной платформы с модулем автоматизации тестирования; программное обеспечение, обеспечивающее автоматизацию взаимодействия пользователя с аппаратурой. Использование предложенных средств позволяет в значительной мере сократить временные затраты на проектирование компонентов бортовой системы картографической информации.

Во второй части главы описан предложенный алгоритм, формирующий на борту летательного аппарата индикационные кадры для отображения картографической информации. Алгоритм составлен с учетом выводов, сделанных на основе анализа базовых принципов оценки сложности алгоритмов. Фрагмент блок-схемы алгоритма приведен на рис. 2.

Нужна помощь в написании автореферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

В главе также описана структура входных данных для обеспечения динамических характеристик доступа к геоинформационным ресурсам. Основной особенностью предложенной структуры является представление геопространственных данных в виде цифрового массива данных, включающего метаданные и картографические модели.

Метаданные содержат идентификационную информацию, контрольную информацию, данные об источнике картографической информации, используемой для построения моделей, параметры картографической проекции, параметры условной системы координат и адресную информацию.

Картографические модели включают:

• модель местности, представляющую собой векторизованные данные об объектах местности;
• модель рельефа, содержащую данные о неровностях земной поверхности в матричном виде;
• модель обстановки, содержащую векторизованные данные об объектах навигационной и тактической обстановки в районе полетов.

Модель местности включает в себя: классификационные данные, метрические данные, семантические данные. Классификационные данные включают в себя указатели на свойства объектов, которые определяют их отношение к одному из следующих элементов: гидрография и гидротехнические сооружения; дорожная сеть и дорожные сооружения; населенные пункты; растительный покров и грунты; рельеф суши; промышленные объекты; социально-культурные объекты; границы, ограждения.

Координаты метрики объектов в цифровой модели местности задаются приращениями координат характерных точек объектов относительно точек начала отсчета соответствующих квадратов. Точка начала отсчета в каждом квадрате совпадает с его угловой точкой, имеющей минимальные значения.

Выбор 8-разрядного слова для кодирования координат обеспечивает неразрывность отображений, расположенных в нескольких квадратах площадных и линейных объектов в масштабах, крупнее исходного в 2 и 4 раза, а также существенное упрощение масштабирования объектов при переходе от основного масштаба к производным за счет использования определенного количества старших битов координат.

Модель рельефа относится к пространственным моделям, представляемым в растровом виде, и содержит массив данных высот рельефа в зоне полета летательного аппарата. Данные по высотам рельефа представляют собой набор значений, характеризующих максимальные превышения высот поверхности земли над определенным уровнем в пределах заданной области полета.

Модель обстановки, а так же другие подключаемые модели, содержащие вспомогательную информацию, имеют структуру, аналогичную структуре модели местности и отличается от нее только типом хранимой информации (навигационная и тактическая обстановка).

В третьей главе описан процесс автоматизации создания таблиц конфигурации бортовых систем картографической информации. Приведено описание системного и прикладного программного обеспечения, являющегося неотъемлемой частью бортовой системы картографической информации. Предложена среда автоматизации создания конфигурационных файлов компонентов бортовой системы картографической информации. Проведен обзор особенностей оптимизации проектных решений для эффективного использования ресурсов аппаратной платформы бортовой системы картографической информации. Описаны предлагаемые средства автоматизации взаимодействия инструментальных ЭВМ с отлаживаемой аппаратной платформой.

Конфигурационная информация представляется в виде иерархического дерева с дополнительными горизонтальными связями между отдельными ветвями. Каждый последующий уровень дерева подразумевает большую детализацию представления информации, а каждая отдельная ветвь дерева представляет структурно независимый блок данных. Горизонтальные связи содержат информацию о взаимодействии структурно или функционально независимых элементов и представляются в дереве специальными узлами — листьями дерева.

В четвертой главе рассмотрена предложенная автоматизированная система проектирования бортовых систем картографической информации. Предложены средства автоматизации отладки бортовой системы картографической информации и ее компонентов. Приведена функциональная схема маршрута проектирования бортовой системы картографической информации с использованием программы-эмулятора. Описаны предлагаемые средства автоматизации процесса тестирования бортовых систем картографической информации.

Маршрут проектирования БСКИ с использованием программы-эмулятора (см. рис. 6) состоит из нескольких этапов. В первую очередь, при создании нового проекта необходимо определиться с составом эмулируемой аппаратной платформы. Для этого в среде графического редактора с использованием графических отображений устройств создается схема модуля. Каждый графический объект связан с функциональным описанием компонента в формате xml. По завершении работы с редактором схемы модуля пользователь получает файл в формате xml, представляющий собой функциональную схему модуля. Этот файл передается в САПР «Конфигуратор» для создания данных конфигурации устройства. Результирующие файлы конфигурации вместе с функциональной схемой модуля загружаются в среду эмуляции, в которой и происходит выполнение приложений. При работе с программой-эмулятором имеется возможность использовать функции автоматизации отладки и тестирования.

Результатом выполнения тестовых задач являются выходные файлы, содержащие результаты тестирования и предварительный проект конструкторской документации изделия. Эти файлы передаются в среду автоматизированной проверки результатов тестирования, которая сравнивает полученные данные с заранее составленными шаблонами. В случае неудачного исхода проверки происходит возврат к предыдущим этапам проектирования для исправления проблемных мест проектируемого изделия.

Средства автоматизированной подготовки верификационной и конструкторской документации позволяют в значительной мере сократить временные затраты на этапе оформления пакета документов на изделие. На рис.

7 приведены графики, полученные в результате испытаний предлагаемого средства автоматизации подготовки результатов верификационного тестирования. Из графиков видно, что применение автоматизированной системы помимо снижения временных затрат позволяет сохранять практически линейную зависимость времени подготовки от количества оформляемых тестов.

После выполнения всех проверок итоговые результаты проектирования формируются в проектное решение с комплектом конструкторской документации.

Нужна помощь в написании автореферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена автореферата

В заключении представлены основные результаты диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена структура данных, повышающая скорость доступа пользователя к геоинформационным ресурсам в процессе формирования индикационных кадров для отображения картографической информации в процессе полета.
2. Предложен алгоритм автоматизированного формирования индикационного кадра с учетом параметров, задаваемых пользователем, и условий, в которых осуществляется пилотирование.
3. Предложена схема автоматизированного рабочего места для создания компонентов БСКИ, включающая программное, математическое, информационное и технологическое обеспечение САПР.
4. Предложено программное средство для автоматизации процессов, связанных с разработкой компонентов БСКИ, на основе средств эмуляции аппаратной платформы БСКИ.
5. Предложен набор средств, автоматизирующих в составе АРМ процессы настройки взаимодействия платформы инструментальной ЭВМ и аппаратной платформы БСКИ и его компонентов.

Список использованных источников

Работы, опубликованные в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus:
1. Konovalov P., Batova S., Utkin S., Blagonravov S. Software Complex Used for Designing, Testing and Maintenance of Computing Products for Avionics // Proceeding of International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (16-18 October, 2014, Tomsk Polytechnic University), 2014, pp. 1- 3, DOI: 10.1109/MEACS.2014.6986848. – 0,19/0,8 п.л.
2. Utkin S.B., Batova S.V., Blagonravov S.A., Konovalov P.V., Zharinov
I.O. Automated construction of software configuration tables for real-time systems in avionics // Programming and Computer Software, 2015, vol.41, №4, pp. 219-223, DOI: 10.1134/S0361768815040076. – 0,25/0,25 п.л.

Статьи в журналах, утвержденных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций соискателей ученой степени кандидата наук:
3. Жаринов И.О., Кирсанова Ю.А., Коновалов П.В., Костишин М.О. Алгоритм формирования и вывода картографических изображений в системах навигации пилотируемых летательных аппаратов // Мехатроника, автоматизация, управление, 2014, №8, c.68-72. – 0,25/0,9 п.л.
4. Парамонов П.П., Коновалов П.В., Жаринов И.О., Кирсанова Ю.А.,

Уткин С.Б. Реализация структуры данных, используемых при формировании индикационного кадра в бортовых системах картографической информации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, 2013, вып. 2(84), с. 165-167. – 0,19/0,9 п.л.
5. Уткин С.Б., Батова С.В., Благонравов С.А., Коновалов П.В., Жаринов И.О. Автоматизация создания таблицы конфигурации программного обеспечения систем реального времени в авионике // Программирование, 2015,
№4, с. 40-46. – 0,44/0,25 п.л.
6. Батова С.В, Благонравов С.А., Уткин С.Б., Коновалов П.В. Опыт применения технологии эмуляции процессов при разработке компонентов программного обеспечения авиационных систем // Программная инженерия, 2015, №8, c. 18-25. – 0,48/0,25 п.л.

Работы, опубликованные в материалах всероссийских, региональных и международных конференций, статьи в сборниках научных трудов:
7. Жаринов И.О., Коновалов П.В. Классификация структуры данных, используемых при отображении геоинформационных ресурсов в бортовых системах картографической информации // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС
«Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина, СПб: НИУ ИТМО, 2013, ч.1, с. 118-121. – 0,25/0,9 п.л.
8. Парамонов П.П., Коновалов П.В., Жаринов И.О., Кирсанова Ю.А., Уткин С.Б. Особенности использования метрических данных при формировании индикационного кадра в бортовых системах картографической информации // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина, СПб: НИУ ИТМО, 2013, вып. 2, с. 115-120. – 0,38/0,9 п.л.
9. Коновалов П.В., Батова С.В., Благонравов С.А. Автоматизация процесса создания таблиц конфигурации для операционных систем реального времени // Материалы XVI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (11-14 марта 2014г.), Санкт-Петербург ГНЦ РФ ОАО
«Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014, с. 384-388. – 0,31/0,5 п.л.
10. Коновалов П.В. Особенности формата хранения метрических данных для использования в бортовых системах картографической информации // Материалы XVI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (11-14 марта 2014г.), Санкт-Петербург ГНЦ РФ ОАО
«Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014, с. 249-253. – 0,31/1 п.л.
11. Коновалов П.В., Батова С.В., Благонравов С.А. Автоматизированная среда конфигурирования программного обеспечения операционных систем реального времени в изделиях авионики // Сборник докладов XХ Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (14-18 апреля 2014 г.), Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014, т. 1, с. 107-108. – 0,13/0,5 п.л.
12. Костишин М.О., Шукалов А.В., Жаринов И.О., Коновалов П.В. Автоматизация конфигурирования геоинформационных данных авионики на рабочем месте оператора // Сборник тезисов докладов Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике- 2014» (МАИ, 22-24 апреля 2014 г.), Москва: Изд-во ООО «Принт-салон», 2014, с. 42-43. – 0,13/0,4 п.л.
13. Костишин М.О., Жаринов И.О., Книга Е.В., Шукалов А.В., Богданов А.В., Коновалов П.В. Опыт применения мультипроцессора для формирования видеопотока изображения геоинформационных данных в авионике // Сборник трудов XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи. Математика. Информатика» (г. Анжеро-Судженск, 24-25 апреля 2014 г.), Томск: Изд-во Томского университета, 2014, ч. 1, с. 147-152. – 0,44/0,2 п.л.
14. Коновалов П.В., Уткин С. Б., Батова С. В. Комплекс программного обеспечения, используемого в процессе тестирования и эксплуатации вычислительных изделий авионики на основе интерфейса RS-232 // Сборник трудов XIII Международной научно-практической конференции им. А. Ф. Турпугова «Информационные технологии и математическое моделирование» (г. Анжеро-Судженск, 20-22 ноября 2014 г.), Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014, ч. 1, с. 171-176. – 0,38/0,9 п.л.