Основные закономерности и перспективы развития систем управления полетом и вооружением боевых летательных аппаратов
Для того чтобы говорить о перспективных направлениях построения систем управления полетом и вооружением необходимо проанализировать в историческом аспекте основные закономерности развития систем.
Основными закономерностями развития авиационных систем являются [2]:
- их интеграция;
- рост уровня автоматизации их использования;
- оптимизация;
- унификация.
Перечисленные закономерности значительно проявляются в области авиационных систем. Необходимо заметить, что эти закономерности взаимосвязаны и взаимно проникают друг в друга. Эти закономерности проявляются, как при развитии аппаратурной части систем, так и программного обеспечения (ПО). Более того, ПО в силу большей связанности с задачами, возлагаемыми на систему, в ряде случаев диктует выбор ее аппаратурной части. Рассмотрим проявление указанных закономерностей в области авиационных систем.
а) Основные закономерности и перспективы в области комплексирования и интеграции авиационных систем управления полетом и вооружением
Среди научно-технических направлений развития систем управления полетом и вооружением имеются направления, связанные с интеграцией АПрС, отражающие основные тенденции развития авиационных систем.
Принципы комплексирования, интеграции авиационных систем и комплексов пришли на смену преобладавшим на первых этапах развития систем принципов декомпозиции, причем, на начальных стадиях развития систем преобладал интуитивный принцип декомпозиции. Это связано с невозможностью понять и охватить в человеческом сознании и даже в сознании ученого, конструктора процесс функционирования системы в целом во всем многообразии объективно существующих связей. В связи с этим целая задача расщепляется на некоторые малые обозримые задачи, весь единый процесс расчленяется на отдельные этапы. Этот метафизический или, как сейчас говорят, не системный подход реализуется не потому, что специалисты не понимают, что лучше бы предусмотреть и учесть все связи сразу, а потому, что в силу не изученности явления они этого сделать не могут. На более поздних стадиях изучения и развития систем интуитивный метод декомпозиции был развит в научный метод декомпозиции. Необходимость создания и развития такого метода была вызвана, с одной стороны, отсутствием на определенных стадиях научных теорий, позволяющих математически описать и решить всю задачу, возлагаемую на систему, целиком и, с другой стороны, ограниченными возможностями бортовой вычислительной техники по реализации математических зависимостей, обеспечивающих решение всей, не декомпозированной задачи.
Далее процесс интеграции развивался в направлении комплексирования систем на аппаратурном и алгоритмическом уровнях с последующим широким внедрением на борт решений оптимизационных задач обработки информации и управления.
Естественным развитием процесса интеграции является комплексирование систем на уровне этапов и задач, решаемых боевыми ЛА, основанном на рассмотрении ЛА и оружия как единой целенаправленной системы с организацией управления такой многоступенчатой динамической системой (МДС) главным образом в интересах последней ступени оружия с обеспечением сквозной оптимизации. Это составляет основное содержание новых принципов интеграции систем управления полетом и вооружением.
Характеристики этапов процесса комплексирования и интеграции систем управления полетом и вооружением, теоретическое обеспечение этого процесса и примеры представлены в табл. 1.
На этапе целевой интеграции управление интегрированной системой должно строиться исходя из принципов оптимизации конечного состояния многоступенчатой динамической системы, в качестве которой рассматривается ЛА-носитель, различные виды оружия, в том числе и многоступенчатое. При этом обеспечивается оптимальное управление носителем на различных этапах его боевого применения, оптимальная настройка параметров законов управления ступеней системы и условий их переключения, например, оптимальная настройка закона управления ракеты перед ее пуском или настройка условий раскрытия бомбовой кассеты.
С применением математического аппарата оптимального управления конечным состоянием МДС можно:
- решать задачи оптимального распределения боевых функций между носителем и оружием, как при определении облика боевого комплекса, так и непосредственно при его боевом применении;
- строить алгоритмы оптимального прицеливания при применении обычного и многоступенчатого оружия;
- синтезировать алгоритмическое обеспечение комплексной системы оптимального прицеливания и наведения управляемых ракет;
- строить системы оптимального управления многоэтапным полетом ЛА, обеспечивающие достижение оптимального состояния в конце последнего этапа, в частности, строить алгоритмы оптимального управления боевым применением оружия при полете на малой высоте с учетом рельефа местности, а также системы посадки ЛА;
- строить высокоинтегрированные оптимальные системы управления полетом и вооружением.
б) Основные закономерности и перспективы в области автоматизации систем управления полетом и вооружением
Совершенствование авиационных систем в направлении повышения уровня автоматизации процессов управления полетом и вооружением на первых стадиях происходило в направлении механизации трудоемких, весьма рутинных функций человека, автоматизации вычислительных операций. В последующем в большей мере подвергались автоматизации функции обработки информации и управления.
Для современного состояния развития автоматизированных систем управления характерна тенденция более интеллектуального включения человека в работу системы. Так в современных автоматизированных системах принятия решений на машину возлагаются задачи подготовки информации, проигрывания вариантов решения, наглядного отображения исходной информации и результатов решений. На человека же возлагаются более интеллектуальные задачи генерации альтернативных вариантов и окончательного принятия решения.
Существующие автоматизированные системы управления динамическими объектами обладают меньшими возможностями использования непосредственно при реализации управления интеллектуальных возможностей человека.
В основном интеллектуальные возможности человека используются на этапе построения системы управления, при формировании критерия и ее структуры.
Однако в процессе функционирования системы управления могут быстро и заранее непредвиденно меняться не только структура и параметры среды и объекта управления, на что удается настраиваться, применяя адаптивные подходы, но и могут меняться цели управления. Это, в особенности, характерно для систем управления военного назначения: систем вооружения, кораблей, летательных аппаратов и т.д.
В боевых условиях, подчас, единственным, кто может правильно, адекватно быстроменяющейся обстановке, принять решение по выбору цели управления, является человек. При этом его действия тем эффективнее (и тем самым эффективнее действия всей системы), чем в большей степени человек – лицо, принимающее решение, – высвобожден от рутинных, мало интеллектуальных видов деятельности.
Пределом реализации этого принципа является создание систем, в которых человеку поручается выполнение функций, которые нельзя поручить никакой технической системе. Такое понимание совершенства человеко-машинной системы соответствует концепции оптимальной автоматизации.
Содержание концепции оптимальной автоматизации заключается в минимизации затрат человека, участвующего в управлении, на выполнение рутинных, мало интеллектуальных функций с сохранением за ним функций, являющихся прерогативой человека. Такой прерогативной функцией, в частности, является функция целеполагания, т.е. функция определения или формирования критерия качества системы, характеризующего цели управления. Концепция оптимальной автоматизации составляет основу новых принципов автоматизации систем управления полетом и вооружением.
Характеристики этапов процесса автоматизации систем управления полетом и вооружением, теоретическое обеспечение этого процесса и примеры представлены в табл. 2.
Новые принципы автоматизации систем управления основаны на концепции оптимальной автоматизации. Концепция оптимальной автоматизации может быть реализована с применением методов интерактивного управления, т.е. управления с обоюдной активностью человека и машины.
Система интерактивного управления обеспечивает возможность изменения цели (критерия оптимальности) управления, о чем принимает решение человек в зависимости от изменяющейся обстановки и тем самым дает возможность человеку реализовать прерогативную функцию целеполагания в процессе функционирования системы.
В соответствии с новыми принципами автоматизации процессов управления полетом и вооружением, основанных на методах интерактивного управления, реализующих концепцию оптимальной автоматизации, целесообразно строить:
- прицельные системы стрельбы и бомбометания;
- телевизионно-командные и другие системы наведения управляемых АСП;
- пилотажно-навигационные системы;
- интегрированные интерактивные авиационные прицельные системы;
- интегрированные интерактивные системы управления полетом и вооружением.
Методологическими основами новых принципов автоматизации авиационных прицельных систем (см. рис. 1) являются:
- концепция оптимальной автоматизации;
- методы оптимального управления конечным состоянием МДС “ЛА – АСП” и многоэтапных процессов боевого применения системы “ЛА – АСП”;
- методы интерактивного управления.
в) Основные закономерности и перспективы в области оптимизации систем управления полетом и вооружением
Процесс оптимизации систем прошел путь от этапа создания работоспособных устойчивых систем управления, оптимизации отдельных ее параметров до этапа построения оптимальных и/или квазиоптимальных информационных подсистем, оптимального управления на отдельных этапах функционирования системы с применением методов современной теории оптимального управления. Представим различные задачи оптимизации систем.
1) Задача параметрической оптимизации системы (оптимизация системы в пространстве параметров).
Дано: система 
; критерий 
.
Найти: вектор параметров 
, доставляющий экстремум критерию 
.
2) Задача оптимизации системы (оптимизация системы в пространстве функций).
Дано: система 
; критерий 
.
Найти: вектор 
, доставляющий экстремум критерию 
.
3) Задача сквозной оптимизации многоступенчатой динамической системы или многоэтапного процесса.
Дано: многоступенчатая динамическая система или многоэтапный процесс с числом ступеней или этапов, равным m:
;
, 
– условие переключения 2-ой ступени;
……………………
, 
– условие переключения m-ой ступени;
критерий 
зависит от конечного состояния 
последней m-ой ступени.
Найти: вектор 
, обеспечивающий экстремум критерия 
.
Перспективным принципом оптимизации многоступенчатых систем и многоэтапных процессов является принцип сквозной оптимизации, т.е. оптимизации по конечному эффекту, реализуемый с применением методов оптимального управления конечным состоянием многоступенчатых динамических систем.
Характеристики этапов процесса оптимизации систем управления полетом и вооружением, теоретическое обеспечение этого процесса и примеры представлены в табл. 3.
г) Основные закономерности процесса унификации систем управления полетом и вооружением
Уровень унификации систем главным образом определяется уровнем фундаментальности научных результатов, на которых базируется построение систем, уровнем учета основных объективных закономерностей развития систем. С применением фундаментальных методов физики и теоретической механики, теорий оптимального управления и оптимального оценивания возможно построение базовых систем и подсистем, алгоритмических блоков, из которых могут собираться системы управления полетом и вооружением авиационных комплексов. Это положение определяет основной принцип базовой унификации систем.
Унификация более органично реализуется там, где алгоритмическое обеспечение базируется на использовании фундаментальных достижений науки. Действительно, при реализации в информационных системах авиационных комплексов методов оптимального оценивания, например, фильтра Калмана, Калмана-Бьюси или их обобщений и модификаций, обеспечивается высокий уровень унификации алгоритмического и программного обеспечения, заключающейся в том, что алгоритмы фильтрации различных параметров полета ЛА, движения средств поражения и цели содержат дифференциальные или разностные уравнения однотипной структуры, которые могут решаться с использованием единых вычислительных процедур.
То же самое явление имеет место, когда в системах управления используются методы оптимального управления. Характерным является то, что чем меньше при построении систем и комплексов мы отступаем от реализации оптимальных методов, тем более высокий уровень унификации мы обеспечиваем. Разумеется, далеко не всегда возможна точная реализация оптимальных методов. Иной раз их точная реализация и не целесообразна. Это связано с тем, что в теории отсутствуют универсальные методы. Однако при проектировании систем и комплексов необходимо выбирать минимальную, достаточно унифицированную совокупность оптимизационных методов, обладающих высокой степенью общности и реализацию комплексов осуществлять на их основе.
Если интеграция и автоматизация комплексов базируются на высоком уровне обобщения задач, как это предлагается в концептуальных положениях, рассмотренных выше и базирующихся на рассмотрении системы “ЛА-оружие” как единой многоступенчатой динамической системы с обеспечением ее сквозной оптимизации, то и унификация алгоритмического обеспечения осуществляется в более широком объеме. Интерактивные методы управления, базирующиеся на концепции оптимальной автоматизации, обеспечивают сочетание традиционных оптимизационных решений и новых информационных технологий, методов искусственного интеллекта. Если методы искусственного интеллекта, используемые в системах управления, базируются на общей научной основе, то также обеспечивается высокий уровень унификации их алгоритмического и аппаратурного обеспечения.
Наконец, степень унификации алгоритмического обеспечения существенно зависит от способов формирования структуры вычислительной системы комплекса бортового оборудования и планирования вычислительного процесса. Хороший результат при решении проблемы построения унифицированного программного обеспечения может быть достигнут с применением методов оптимального планирования вычислительного процесса в мультипроцессорной бортовой цифровой вычислительной системе (БЦВС), предлагаемых в концепции построения интегрированных интерактивных систем управления полетом и вооружением. Эти методы могут применяться как на этапе проектирования комплекса, так и на этапе его боевого применения при решении задачи реконфигурации ПО и БЦВС.
Следует помнить, что существенное влияние на решение проблемы унификации комплексов и их алгоритмического обеспечения оказывает этап определения системы задач, возлагаемых на боевой ЛА того или иного типа, и этап формирования тактико-технических требований (ТТТ) и облика комплексов. Эффективные решения задач этих этапов могут быть получены с применением системного подхода и оптимизационных способов теории систем искусственного интеллекта, с применением методов ситуационного управления и методов теории нечетких множеств.
Результаты анализа основных закономерностей и перспектив развития систем управления полетом и вооружением в компактной форме можно представить в виде номограмм, изображённых на рис. 2.
Выше рассмотренные новые принципы интеграции, автоматизации, оптимизации и унификации систем управления полетом и вооружением составляют основные концептуальные положения построения интегрированных интерактивных авиационных прицельных систем и комплексов. Эти положения, а также их теоретическое обеспечение иллюстрируются на рис. 3.
д) Концепция построения интегрированных интерактивных авиационных прицельных систем [2]
Интегрированные интерактивные АПрС функционируют в условиях априорной неопределенности и в процессе функционирования должны автоматически приспосабливаться к непредвиденным изменениям структуры и свойств как самой АПрС, так и внешней среды. Характерными особенностями интегрированной интерактивной АПрС являются:
- оптимальное распределение ресурсов;
- оптимальная автоматизация управления;
- оптимальная адаптивная реконфигурация;
- оптимальное адаптивное управление;
- оптимальная информационная избыточность;
- оптимальная организация вычислительного процесса.
Важно заметить, что при этом существенно возрастает роль мероприятий по обеспечению надежности и безотказности АПрС. При достаточной избыточности источников информации и исполнительных устройств, практически все меры обеспечения надежности отражаются в аппаратурной реализации и алгоритмическом обеспечении. В интегрированной интерактивной АПрС предусматривается оперативное приспособление к изменению состава источников информации, а также обеспечение унифицированности алгоритмического обеспечения как различных задач, решаемых АПрС, так и различных классов АПрС, устанавливаемых на различные типы летательных аппаратов. Это является благоприятной почвой для построения высоконадежных АПрС, обеспечивающих требуемую точность прицеливания.
Наряду с оперативным приспособлением к изменению состава источников информации интегрированная интерактивная АПрС должна обеспечить в каждой из возможных структур высокую точность определения информации, необходимой для решения боевых задач.
Ожидается, что реализация интегрированных интерактивных АПрС даст возможность успешно решить многие проблемы создания и освоения новых поколений авиационной техники, так как эти АПрС позволяют:
- существенно расширить диапазоны условий боевого применения авиационного вооружения;
- обеспечить комплексную оптимизацию оценок фазовых координат ЛА и атакуемой цели;
- в значительной степени снизить временные, материальные и трудовые затраты на эксплуатацию АПрС, связанные, в том числе, со стыковкой, настройкой, юстировкой;
- существенно повысить живучесть АПрС в условиях возможных боевых повреждений за счет функционального резервирования.
Анализ современного состояния АПрС, условий их боевого применения, а также тенденций развития дают основание сделать вывод о необходимости их дальнейшего совершенствования на основе единой, научно обоснованной концепции, включающей в себя последние достижения авиационной науки и техники. Результаты многочисленных исследований позволяют сформулировать основные положения такой концепции – концепции построения интегрированных интерактивных АПрС, включающей в себя:
- новые принципы интеграции АПрС, основанные на комплексировании не только на уровне бортового оборудования и алгоритмов, но и на уровне задач управления ЛА и оружием как единой целенаправленной системой;
- новые принципы построения интегрированных интерактивных АПрС, реализующие концепцию оптимальной автоматизации;
- новые принципы организации боевого применения АПрС основанные на оптимальном выборе оружия в атаке и распределении боевых функций между ЛА и оружием;
- новые принципы построения унифицированного алгоритмического обеспечения АПрС, основанные на использовании методов теории многоступенчатых динамических систем, теории систем со случайной структурой, методов управления наблюдением, методов статистического анализа и синтеза алгоритмов оптимального управления и фильтрации с учетом погрешностей их реализации в БЦВС;
- новые принципы определения структуры вычислительной системы и организации решения задач, основанных на оптимальном планировании вычислительного процесса в многопроцессорных БЦВС;
- новые принципы построения человеко-машинного интерфейса, основанные на рациональном сочетании естественного и искусственного интеллекта;
- новые принципы обеспечения надежности и живучести систем, основанные на методах построения отказоустойчивых алгоритмов, оптимального контроля состояния системы и ее динамической реконфигурации;
- новые принципы формирования облика АПрС, основанные на оптимизации её структуры и параметров в рамках обобщенной системы “объект – среда”, и предъявление на этой основе требований к информационной, исполнительной и вычислительной подсистемам.
Предлагаемая концепция представляет собой совокупность взаимосвязанных принципов, опирающихся на методологию системного анализа и современные достижения в области авиационной науки, техники и технологии.
В названии концепции содержатся ключевые слова, отражающие два основополагающих принципа, лежащих в основе формирования облика АПрС перспективных летательных аппаратов – интеграция и интерактивность, т.е. взаимная активность человека и системы “ЛА-оружие”.
Интеграция проявляется в комплексировании боевых задач, в комплексном получении и обработке информации, в комплексировании алгоритмов и бортового оборудования ЛА.
Активное включение интеллекта человека в систему управления ЛА и оружием, оптимальное распределение функций между экипажем и АПрС, создание нового человеко-машинного интерфейса – это второе ключевое направление в разработках перспективных АПрС.
Центральное место в рассматриваемой концепции занимает принцип системного анализа процессов боевого применения АПрС. Реализация этого принципа обеспечивает методологически правильный выбор системы критериев эффективности для анализа и синтеза АПрС, согласованной системы математических моделей для описания процессов её функционирования, разумное обоснование ТТТ.
Боевое применение современных АПрС осуществляется в интенсивном огневом, информационном и маневренном противодействии противника. В этих условиях эффективное выполнение боевых задач будет возможно, если их алгоритмическое обеспечение будет строиться с учетом принципа адаптации и устойчивости к противодействию.
Теоретической основой для реализации указанных выше принципов и концепции в целом служат фундаментальные и прикладные результаты, полученные в последние годы. В первую очередь к ним следует отнести:
- теорию многоступенчатых динамических систем и методы управления конечным состоянием системы “ЛА – оружие”;
- теорию систем со случайной структурой и методы алгоритмической защиты АПрС от функциональных нарушений;
- методы оптимизации вычислительного процесса в мультипроцессорных БЦВС и численные методы ускоренного решения боевых задач;
- теория и методы оптимизации структуры информационно-управляющих систем;
- методы оптимальной автоматизации информационно-управляющих систем;
- математические методы и модели оценки эффективности и оптимизации условий боевого применения комплексов авиационного вооружения.