Один из подходов повышения эффективности функционирования НАКУ КА за счет применения микросервисной архитектуры при построении элементов космической инфраструктуры

Космическое пространство является агрессивной средой. И как на процесс управления ОГ КА, так и на функционирование КА в космическом пространстве действует множество факторов как естественного, так и искусственного происхождения.
Сложность решения задачи управления совокупной ОГ КА и высокая динамика изменения условий применения элементов космической инфраструктуры (особенно в сложной обстановке), предопределяет необходимость создания адаптивной системы управления этой совокупной космической инфраструктурой (далее СУ КИ).
Актуальность выбранного направления работы продиктовано современным состоянием всей космической инфраструктуры и наличием факторов, которые замедляют развитие космической отрасли, а именно:
любой элемент КИ (ПОЦИ, ЦУП, РТС, в целом НКУ КА), является «штучным», «эксклюзивным» продуктом;
элементы КИ и в целом НАКУ (или НКУ), как правило, взаимосвязаны между собой через определенные экономические, производственные и правовые связи, при этом технические связи зачастую отсутствуют;
технические связи существуют, как правило, в рамках отдельных организаций, при этом, реализуются они на элементах КИ не обладающими в полной мере такими свойствами как масштабируемость, совместимость, расширяемость, прозрачность и другие свойства характерные для современных АСУ;
наличие множества, зачастую диаметрально противоположных, подходов к решению проблем управления ОГ КА и обработки целевой информации (например, однопунктный и многопунктный подход к управлению ОГ КА).
Все это приводит с одной стороны к избыточности системы, с другой стороны к ее недостаточности. Т.е. при наличии большого количества разнотипных элементов КИ (ЦУП, ПУ, РТС, КИС, ССПД и д.р.) управлять ОГ КА большого количественного и качественного состава, обрабатывать целевую информации с КА быстро и качественно, с помощью такой системы, «не эффективно» и практически «невозможно».
При этом побороть эту ситуацию применяя старые подходы к созданию элементов КИ является практически невыполнимой задачей.
В чем причины…
Техническую основу всей КИ, обеспечивающей космическую деятельность, составляют различные АСУ(АС), их очень много, решают они различные задачи, в различных контурах управления и разработаны эти АСУ различными предприятиями с использованиям своего, специфического технологического стека. В общем виде, эти АСУ состоят из технических и программных систем. Т.е., любое современное устройство (или система), это, по сути, симбиоз программной компоненты (системы) с технической компонентой (системой), при этом программный компонент определяет поведение технической компоненты и за частую изменения программного компонента может поменять даже целевое предназначение всей системы.
От качества данной технической основы, зависит качество как совокупного НАКУ КА, так и СУ КИ в целом, включая специальные (целевые) компоненты космических систем. Т.е. архитектура построения этих технических и программных систем (образующих определенные АСУ) будет определять (и определяет) в конечном итоге эффективность управления всей совокупной ОГ КА.
Но, в настоящее время те основные технические (архитектурные) решения, которые положены в основу построения элементов КИ (РТС, КИС, ЦУП, ПУ и д.р.), уже устарели. Как было сказано выше, любой элемент КИ это «эксклюзивный, штучный» товар разработанный по так называемой монолитной архитектуре. Особенностью данного подхода является относительно большое (единое, монолитное) техническое устройства (система). Программное обеспечение такого устройства представляет собой модуль (или модули), в котором (в которых) объединены все компоненты. Данные модули имеют жесткие связи друг с другом, а изменение в одной части системы приводит к изменениям в другой части системы. При, казалось бы, простоте и понятности такой архитектуры, такой подход не обладает гибкостью, что приводит к появлению не расширяемых и не масштабируемых систем. При этом модернизация таких систем требует внушительных затрат. Данные системы плохо интегрируются друг с другом, а при появлении новых систем (подходов, протоколов, структур данных и т.д.) требуются значительные затраты на модернизацию уже существующих. Отметим, что затраты исчисляются не только в денежном исчислении, но и в интеллектуальном и временном.
В таких условиях, одним из направлений обеспечения устойчивого функционирования ОГ КА, особенно многоспутниковых ОГ КА, является разработка элементов КИ на базе микросервисной архитектуры. Основными характерными чертами данного подхода являются:
масштабируемость создаваемых систем;
расширяемость;
отказоустойчивость;
гибкость;
свободный стек используемых технологий;
быстрый ввод в проект нового сотрудника.
При таком подходе, эффективность функционирования совокупного НАКУ при управлении совокупной ОГ КА будет зависеть не только от выбранной технологии управления ОГ КА, но и скорости (наличия возможностей) адаптации существующего НАКУ КА под выбранную технологию управления.
При этом, необходимо отметить, что предлагаемый подход обладает существенным интеграционным потенциалом по сравнению с существующими подходами. Т.е. при появлении новых систем затраты на модернизацию системы построенной по микросервисной архитектуре меньше.
Это позволяет, по мнению авторов, повысить эффективность управления всей совокупной ОГ КА не только за счет перехода на новые методы управления ОГ КА, а так же и за счет создания условий позволяющих в достаточно ограниченный промежуток времени выбрать и реализовать метод управления ОГ КА, который в данных сложившихся условиях позволяет наиболее полно реализовать программы управления этой ОГ КА и выполнить задачи по обработки целевой информации.
Отметим, что применение данного подхода к построению программно-технических систем требует уточнения существующего научно-методического аппарата оценивания эффективности функционирования СУ КИ и НАКУ КА.
Анализ подходов к оценке эффективности показывает, что в настоящее время при оценивании эффективности функционирования СУ КИ и НАКУ КА в основных показателях (глобальность, непрерывность, оперативность, надежность управления КА) не учитывает такие свойства систем как: совместимость, адаптивность, масштабируемость, расширяемость, прозрачность и др. Игнорирование данных характеристик при оценивании эффективности функционирования совокупного НАКУ КА и СУ КИ особенно при использовании новых архитектурных (технологических) решений может привести и приводит к не точным оценкам.
Предварительный экономический эффект от использования нового подхода показал, что при последовательном развитии системы (т.е. в ситуации, при котором система улучшается не скачком - вся, а постепенно) затраты на модернизацию могут быть значительно ниже при использовании микросервисной архитектуры (рисунок 4а, 4б). Но при полной модернизации, затраты могут быть выше (рисунок 4в).
Отметим, что в расчетах участвовали не все стадии жизненного цикла системы, а только три – непосредственно изготовление системы, тестирование и сертификация проводимые на интервале времени 10 лет. Предполагалось, что систему условно можно разделить на 12 подсистем, каждая из которых реализовывала определенную функцию гипотетического ЦУПа. При этом ежегодно проводилась модернизация подсистем в количестве: одной подсистемы (рисунок 4а), пяти подсистем (рисунок 4б) и полностью всей системы (рисунок 4в). При расчетах принималось условие, что затраты на разработку системы построенной по микросервисной архитектуре на 20% выше.
Отметим, что результаты, представленные на рисунке 4в не учитывают одну из особенностей микросервисного подхода, а именно повторное использование микросервисов. Т.е. в случае с новым подходом к построению систем, ЦУП не выводиться из эксплуатации весь (не модернизируется весь), а изменения касаются только тех компонентов, которые в данный момент времени не удовлетворяют требованиям. В такой ситуации затраты даже при полной модернизации будут ниже.
Предлагаемый подход к повышению эффективности функционирования НАКУ КА за счет применения микросервисной архитектуры при построении элементов АСУ КА, позволит:
1. Создать совокупный адаптивный НАКУ КА, позволяющий масштабировать и расширять возможности этого НАКУ КА с наименьшими затратами;
2. Объединить, при необходимости весь потенциал космической отрасли в единый организм;
3. Объединить возможности космической отрасли и потребности заказчиков в единую систему.