الإدارة المتنية (المركبات الفضائية)

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الإدارة المتنية (المركبات الفضائية)

اداره متنيه (مركبات فضاييه)

Onboard management - Administration satellite de bord

إدارة المنظومات على متن المركبات الفضائية ومهماتها

الحزم البرمجية المستخدمة في الإدارة المتنية

يُقصد بالإدارة المتنية onboard management في المركبات الفضائية استخدام حاسوب متطور على متن المركبة، يتولى إدارة كامل نشاطاتها، إضافة إلى الحفاظ على التوقيت، وتفسير الأوامر الواردة من الأرض، وجمع معطيات القياس من بعد telemetry ومعالجتها وتنسيقها قبل إرسالها إلى الأرض. كما تشتمل المهام على إدارة إجرائيات الأمن والحماية من الأخطاء.

وتنبع أهمية الإدارة المتنية في المركبات الفضائية من ضرورة قيادة التجهيزات على متن المركبات الفضائية؛ مادية كانت أم برمجية، والتحكم فيها على نحو دقيق وبموثوقية عالية جداً؛ بهدف ضمان كفاءة هذه التجهيزات وتجنب وقوعها في حالة عطب، والسعي إلى خفض وزنها إلى الحد الأدنى نظراً لارتفاع تكلفة النقل إلى الفضاء.

ويشتمل الساتل (أو المركبة الفضائية) على عدة منظومات فرعية، منها: التحكم في الحرارة، والتغذية، والتحكم في المدار والموقع، والتحكم والقياس من بعد، والمعالجة المتنية للمعطيات، والحمولات المفيدة payloads. وتتطلب إدارة هذه المنظومات ومراقبة حسن عملها استخدام حاسوب متني.

إدارة المنظومات على متن المركبات الفضائية ومهماتها

أ- التحكم في الرحلة و المدار

اعتمدت سواتل مهمة الكشف بالأشعة تحت الحمراء ثنائي الطيف (بيرد) bi-spectral infrared detection (BIRD) على استخدام حاسوب مَسرَوي للمركبة الفضائيةspacecraft bus computer (SBC) عُهد إليه بالتحكم في جميع التجهيزات على متن الساتل؛ إذ يستقبل جميع الأوامر ويخزِّنها ويعالجها، كما يقوّم أداء المنظومات الفرعية، ويصدر الأوامر اللازمة. إضافة إلى ذلك؛ يقوم الحاسوب المتني بمهمة التحكم في الموقع؛ أي إنه يشتمل على كل مكوِّنات منظومة التحكم في الموقع؛ المادية والبرمجية.

ومن أدوات التحكم المستخدمة في المركبتين الفضائيتين هيرشل Herschel وبلانك Planck: منظومة إجرائيات التحكم المتنية on-board control procedures (OBCP)، ووحدة إدارة المعطيات المركزية central data management unit (CDMU)، وبرمجيات التطبيقات application software. وتجري عمليات التحكم بوساطة لغة برمجية خاصة تسمى لغة الأوامر المتنية on-board command language (OCL). ويتمثل الهدف من إجرائيات التحكم المتنية في تمكين المشغلين الأرضيين من تحضير العمليات المعقدة للوصلة الصاعدة- خلال الطور التشغيلي للمهمة- وتنفيذها. ونظراً لعمل إجرائيات التحكم المتنية في منظومات فرعية منفصلة تماماً؛ لا يتطلب إنشاء إجرائية جديدة تعديل البرمجيات الكلية المتنية وإعادة التحقق منها. وتسمح منظومة إجرائيات التحكم المتنية بتقويم إجرائيات التحكم وفحصها على الأرض قبل تنفيذها على متن المركبة الفضائية. كما يمكن بوساطة وحدة إدارة المعطيات المركزية التحكم في كل عمليات معالجة المعطيات والتحكم في موقع الساتل ومداره.

ب- كشف الأعطال ومعالجتها

يستخدم الساتل (بيرد) عدداً كبيراً من التقنيات المتعلقة بكشف الأعطال والحماية منها؛ لضمان إتمام المهمة. ومن أهم هذه التقنيات الإدارة الذاتية autonomous management للأخطاء، وعمليات تبديل رديفة لتصحيح الموقع. وتعتمد المنظومة الساتلية (بيرد) في تقليل الأخطاء -وحتى تلافيها- على مضاعفة ذواكر النفاذ العشوائي الديناميكية DRAM، دون التأثير في عمل الساتل. كما تُجمع معلومات عن التصحيحات بوساطة القياس من بعد، وتُدرس اعتماداً على عمليات تحليل إحصائية.

في حين يستخدم الساتل الكوري المتعدد الأغراض -كومبسات KOMPSAT- تابع التصحيح الآلي المتني لتجنب الأعطال. ويقوم هذا التابع بعمليات تصحيح للأعطال، وإزالة أثرها، وإجراء عمليات متابعة لعمل المركبة وإعادة تشغيل المنظومة، وتصحيح الموقع، وتشغيل المنظومة بالحد الأدنى من الطاقة -إذا اقتضت الضرورة ذلك- حتى وصول المركبة إلى الأرض. كما يستخدم تجهيزات رديفة لزيادة موثوقية المنظومة.

ج- الاتصالات

يمثل استقبال الأوامر من بعد من محطة التحكم الأرضية إحدى الوظائف الحرجة في جميع المهمات الفضائية، وهذا ما يتطلب التزود بإجرائيات حماية من الأخطاء. وتتألف منظومة الاتصالات أساساً من مرسلات ومستقبلات، ومبدلات التشكيل configuration switches وهوائيات لتحقيق قنوات اتصالات مستقلة. ويُستخدم حاسوبان مسرويان للمركبة الفضائية يعملان على نحو متزامن لمسح scanning قناتي استقبال على نحو مستقل. ويُقفل على القناة إذا مر فيها أي أمر بنجاح. وفي حال عدم التحسس لأي أمر -بعد مضي مدة زمنية محددة- تبدأ عملية مسح القناتين من جديد. ويضمن هذا الإجراء استقبال الأمر حتى لو حدث خطأ ما في سلسلة الاستقبال في إحدى القناتين.

د- القدرة الكهربائية

تُراقب حالة منظومة القدرة الكهربائية على متن المركبة الفضائية بوساطة تطبيقات المراقبة surveillance application المسؤولة عن مراقبة موسطات القدرة، ومنها: مستوى شحن البطاريات وجهد المسرى واستهلاك البطاريات. وتُعرّف حدود لمختلف أنماط التشغيل بوساطة أمر معيّن. فإذا صدر الأمر يُنفذ تتابع خاص آلياً بنمط الأمان. وثمة أنماط أخرى معرّفة مثل نمط التوجيه نحو الشمس sun pointing mode الذي يسمح بتوجيه الصفائح الشمسية باتجاه الشمس، وتُشرف عليه منظومة التحكم في الموقع.

هـ- المعطيات ومعالجتها

تُعالج المعطيات على متن المركبات الفضائية بوساطة منظومة متعددة المعالِجات multiprocessor system. وتتألف هذه المنظومة من حاسوب متني لإدارة الأوامر والقياسات من بعد وتخزين المعطيات، ومن وحدة قيادة من بعد remote drive unit (RDU) لإدارة التحكم في المدار والارتفاع، ومن وحدة تحكم في القدرة الكهربائية لإدارة التحكم بالحرارة والقدرة الكهربائية. وتتصل هذه المعالِجات المتنية فيما بينها بوساطة وصلات معطيات من أجل تحقيق الاتصالات الأساسية ووظائف تخزين المعطيات.

الحزم البرمجية المستخدمة في الإدارة المتنية

يتألف برنامج منظومة إجرائيات التحكم المتنية عادةً من جزأين أساسيين ومنفصلين: برمجيات الرحلة flight software التي تنفذ فعلياً هذا البرنامج، وبرمجيات الكتلة الأرضية التي تسمى بيئة تطوير development environment لغة الأوامر المتنية، والتي تسمح بإجراء أعمال الفحص والتطوير (الشكل 1). ويُحقَّق الاتصال بين هذين الجزأين بوساطة منظومتي الاتصالات من بعد والقياسات من بعد.

وتتألف برمجيات الكتلة الأرضية لمنظومة إجرائيات التحكم المتنية في المهمتين الفضائيتين هيرشل وبلانك من مترجم compiler لغة الأوامر المتنية، وأدوات فحص test tool إجرائيات التحكم المتنية. ويُكتب المترجم بلغة C++ ، وباستخدام الأدواتLEX وYACC. أما مداخل المترجم فهي إجرائية التحكم المتنية من أجل ترجمتها، وجسر ملفات قواعد معطيات المنظومة بلغة تأشيرية قابلة للتوسيع XML bridge files، وملف إعداد مترجم لغة الأوامر المتنية، وملف جدول الرموز symbol table file. أما بالنسبة إلى خرج المترجم فيُرَمّز بالصيغ الآتية: ترميز ثنائي لاستخدامه كدخل لأدوات فحص إجرائيات التحكم، وترميز محارف أسكي ASCII، وأوامر من بعد لإدخالها إلى قواعد معطيات العمليات للتثبت منها قبل إرسالها على الوصلة الصاعدة، وخرج التصريف الزائد extra compilation output والذي يوفر معلومات مفيدة لغايات التنقيح debugging.

الشكل (1) برمجيات الكتلة الأرضية للمهمتين الفضائيتين هيرشل وبلانك

الآفاق المستقبلية

يتطلب تصميم المركبات الفضائية عموماً ومركبات استكشاف الفضاء العميق خصوصاً ضمان مدد حياة طويلة، والحفاظ على حسن سير العمليات وأمنها آلياً في حال حدوث أعطال. ومن الحلول المنظورة تطوير شبكات اتصالاتية فقارية backbone عالية السرعة ومركزية، توفر ربط عقد المعالجة بمسارات محلية ذات تدفق أخفض؛ مما يسمح للعقد بالتفاعل مع الحساسات والتجهيزات الأخرى.

كما يجري العمل على تطوير برمجيات نسيقية متنية عالية الأداء تضمن استقلالية المركبة الفضائية وحمايتها من الأعطال مع خفض كل من التكلفة وتعقيد التجهيزات.

محمد صالحاني

مراجع للاستزادة:

- M. J. Baek & J-I. Lee, On-Board Management of Multiple Processor Spacecraft System, Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, 2002.

- M. Ferraguto, et al., The On-Board Control Procedures Subsystem for the Herschel and Planck Satellites, CMPSAC’08, IEEE proceedings of the 32nd Annual IEEE International Computer Software and Applications Conference 2008.

- H. Kayal, et al., Onboard Autonomy and Fault Protection Concept of the BIRD Satellite, Proceedings of the International Conference on Recent Advances in Space technologies, RAST, 2003.