Задача

Системная имитационная модель передачи информации на среднеорбитальные космические аппараты.

Ключевая сложность подобных проектов заключается в наличии множества теоретических путей решения, включая ряд принципиально различных математических алгоритмов. Каждый выбранный вариант реализации системы связи и ее алгоритмов существенно влияет на требования к элементной базе и к аппаратной конфигурации целевой системы, способной обеспечивать заданные характеристики. Более того, каждый алгоритм имеет большой набор параметров, подбор которых необходимо осуществлять на практике. Реализация и проверка на макетах (прототипах) хотя бы двух-трех вариантов системы влечет за собой несколько ключевых сложностей:

• Во-первых — влечет за собой существенные финансовые и временные затраты, т.к. требует под каждый вариант приобретения различных плат, разводки и пайки экспериментальных образцов, программирования прототипов, модификации или перенастройки измерительных стендов, написания алгоритмов обработки измеренных данных, несколько итераций перепайки, доводок и подобных работ. На это все нужны деньги и процедуры закупки — что само по себе тяжело на больших предприятиях, а также на это просто нужно много времени, и времени не только на прямую техническую работу, но и на непрофильную организационную деятельность руководителя проекта. 
• Обычно в первую очередь думают о пункте выше. Вторым аргументом (но с точки зрения любого трезвого главного конструктора — это первый по значимости аргумент) является то, что перебор вариантов подобным экстенсивным способом не даст полноты картины, и не позволит получить достаточную обоснованность и уверенность в оптимальности выбранной схемы реализации системы. В процессе реализации всегда будут всплывать вопросы, требующие технического решения с учетом архитектуры всей системы и оценки влияния технического решения на характеристики остальной системы. Когда проверка данных вопросов осложнена ограничениями, связанными с имеющимися прототипами/макетами, многие решения генеральным конструкторам приходится делать методом консенсуса или с помощью интуиции. В принципе, и таким методом можно достигать результатов. Но даже если оставить за скобками растрату денег и трудовых ресурсов — ведь всего этого могут и не заметить — в данных проектах будет сохраняться значительная, как говорят наши генералы, “степень авантюризма”, а это риск как для предприятия, так и для генеральных конструкторов.

Инженеры МКБ Компас обратились к специалистам ЦИТМ Экспонента после 9 месяцев работ над проектом. Попытка разработать универсальную аппаратно-программную платформу для реализации различных алгоритмов, выбора оптимальных параметров и коэффициентов привела к разработке двух дорогостоящих макетов, которые в итоге не удовлетворили всем необходимым требованиям. В этот момент и встал вопрос о создании универсальной математической системной модели, на которой можно отработать основные алгоритмические решения.

Специалисты ЦИТМ Экспонента руководили работами по созданию “программного стенда главного конструктора”, представлявшего из себя достаточно полную системную модель среды и вариантов изделий. За два месяца была создана и отработана системная модель, основными типами элементов которой были:

• Различные варианты передатчиков: генератор ПСП, генератор информационной последовательности, преобразователь сигнала в комплексный вид;
• Варианты каналов связи: блоки, создающие аддитивный белый гауссовский шум, блоки доплеровского сдвига частоты и сдвига фазы, блоки задержек распространения сигнала;
• Варианты приемников: блоки АЦП, систем поиска сигнала по задержке, системы синхронизации по биту, системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), системы частотной автоподстройки (ЧАП), системы выделения битовой информации.

Данная модель позволяет экспериментально-аналитическим методом подобрать оптимальные параметры, связанные с несущей и промежуточной частотами сигнала, видом и типом ПСП, типами фильтров и их коэффициентами, отношением сигнал/шум на входе приёмника и другими важными характеристиками. Разработанная модель позволяет анализировать сигналы в любой точке системы не только во временной, но и в частотной области, а также строить сигнальные созвездия. Созданная модель позволила усовершенствовать и оптимизировать программное обеспечение, открыла новые возможности быстрого и качественного проектирования благодаря мощным средствам визуализации и встроенным функциям анализа.

Кроме того, наличие у Заказчика системных и алгоритмических моделей в MATLAB и Simulink открыло возможность для автоматической генерации C и HDL кода как для макетных стендов, так и для финальной реализации изделий. Это исключает необходимость ручного кодирования и отладки кода и способствует значительному ускорению дальнейшей реализации проекта.

Результаты создания cистемной модели инженерами ЦИТМ Экспонента 

1. Экономия/наверстывание 13-ти месяцев проекта.
   В отличие от 9 месяцев, затраченных заказчиком самостоятельно, созданная за 2 месяца системная модель позволила Заказчику найти и доказать оптимальность технических решений без макетов. В случае, если бы Заказчик начал проект с создания данной модели совместно с инженерами ЦИТМ Экспонента, экономия по времени составила бы 7 месяцев, оставляя за скобками затраты на макеты. Дополнительно, по оценкам инженеров МКБ Компас, разработанная модель позволила им сэкономить около полугода времени (6 мес.), которое пришлось бы затратить на разработку дополнительных технических решений под разные алгоритмы. Также, cистемная модель главного конструктора позволила избежать лишних финансовых затрат на дополнительные дорогостоящие макеты.
2. Экономия миллионов рублей на прототипы
3. Доказана экономическая целесообразность не только работ ЦИТМ Экспонента по созданию системной модели, но и приобретения и работа по внедрению элементов технологии модельно-ориентированного проектирования. В частности, по результатам ROI-анализа было определено, что окупаемость даже дорогостоящего варианта внедрения МОП происходит менее чем за 9 месяцев.
4. Эффективность метода построения “стендов главного конструктора” в форме системных моделей подтверждена в параллельном проекте, позволив сэкономить 70% времени на начальных этапах проекта.

Для подтверждения методологии совместно со специалистами ЦИТМ Экспонента за 1 месяц была разработана системная модель с применением MATLAB и Simulink, имитирующая канал, процесс формирования, передачи и приема информации VDB GBAS в соответствии со стандартом ICAO. Модель имитировала модуляцию сигнала D8PSK, интерполяцию, перенос на промежуточную частоту; передачу сигнала в выбранном временном интервале; формирование предыскаженного сигнала, компенсирующего нелинейность усилителя мощности; модель среды передачи радиосигнала VDB GBAS; модель приема, демодуляции, дешифрации пакетов сообщений VDB GBAS; преобразование передающей и принимающей частей модели канала VDB GBAS из среды Simulink в C код. По оценкам инженеров Заказчика в самом оптимистичном варианте, самостоятельная реализация подобной модели заняла бы у них не менее трех месяцев с использованием иного дорогостоящего программного обеспечения.

Специалисты ЦИТМ Экспонента на экспертном уровне владеют техниками создания системных моделей различных сложных технических изделий и осуществляют услуги по передаче компетенций и внедрению данной методологии проектирования на предприятия БСССР.