Системы управления, связи и безопасности 2. 2017 Systems of Control, Communication and Security
 Скачать 1.24 Mb.
|
|
Иерархическое управление группой БПЛА Одним из способов уменьшения размерности задачи группового управле- ния БПЛА является использование иерархического подхода к ее решению [18]. В рамках такого подхода БПЛА разбиваются на подгруппы, в которых выделя- ется ведущий БПЛА (лидер). Затем подгруппы разбиваются на более мелкие части с выделением «своих» ведущих БПЛА и т. д. Управление всей группой и внутри нее осуществляется ступенчато от ведущего БПЛА верхней подгруппы к ведущим БПЛА нижней подгруппы. Преимущества такого управления [3]: - относительная вычислительная простота решения задачи управления из-за существенного снижения ее размерности; - высокая живучесть сети управления, так как отказ (уничтожение одно- го из ведущих БПЛА) не приводит к полной потере управления, а если учесть возможность взаимозаменяемости ведущих БПЛА, то уничто- Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 82 жение одного или нескольких из них практически не ограничивает функциональные возможности всей группы. Воздушный эшелон – уровень сетей воздушной радиосвязи управления ЛА и БПЛА Зоны электромагнитной доступности Воздушный эшелон – уровень транспортных сетей информационного обмена Рис. 2. Иерархическое управление ЛА и БПЛА с АК РЛДН Отметим, что такое формальное представление системы управления в ви- де иерархической системы позволяет существенно уменьшить размерность за- дачи синтеза оптимального управления и упростить данную задачу [3]. Децентрализованное сетецентрическое управление группой БПЛА Кроме иерархического управления группой БПЛА возможны и другие различные способы [14, 19]. Одним из самых эффективных является управле- ние группой БПЛА в составе сетецентрической системы [20-23]. При сетецентрическом способе построения системы управления выпол- нение спланированных действий в процессе решения общей целевой задачи возлагается на бортовые системы управления БПЛА, которые одновременно корректируются оператором ПУ с помощью распределенной сети связи. Таким образом, оператор и группа БПЛА объединяются в единую информационную сеть, в которой всем ее участникам доступны информационные ресурсы друг друга, а отдельные БПЛА обладают определенной автономностью действий. Воздействия оператора сводятся к постановке целевой задачи для группы и контролю за ходом ее выполнения. Все БПЛА поддерживают между собой связь и постоянно обмениваются информацией. Основным принципом сетецентризма является возможность для любого элемента системы получать информацию от любого другого элемента. Пре- имуществами такой сетецентрической системы управления группой БПЛА по сравнению с другими способами реализации совместных действий является следующее [20-23]: - решение задачи планирования и управления групповыми действиями всех БПЛА может осуществляться параллельно во времени для всех элементов группы; Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 83 - возможность оперативного создания и реконфигурации БПЛА различ- ных типов (ударных, разведывательных, БПЛА-ретрансляторов и т. д.) в группы различного боевого назначения; - высокая скрытность обмена данными по радиолиниям, так как рассто- яния между БПЛА в группе невелики и для обмена могут быть исполь- зованы сигналы с низкой энергетикой, а данные от оператора БПЛА принимают в пассивном режиме; - высокая живучесть группы БПЛА, так как функции вышедших из строя участников могут быть оперативно перераспределены между оставшимися БПЛА. Следует отметить, что теоретические и прикладные вопросы организации управления в таких децентрализованных сетецентрических системах прорабо- таны в недостаточной степени, в том числе и потому, что отсутствуют методы синтеза алгоритмов управления отдельными объектами в процессе решения общей задачи [3]. Воздушный эшелон – уровень сетей воздушной радиосвязи управления ЛА и БПЛА Зоны электромагнитной доступности Воздушный эшелон – уровень транспортных сетей информационного обмена Рис. 3. Децентрализованное сетецентрическое управление ЛА и БПЛА с АК РЛДН Проблемные вопросы информационного обеспечения групповых действий БПЛА Специфика групповых действий, как средств нападения, так и средств защиты, предопределяет необходимость информационного обмена между участниками группы и использования режима многоцелевого сопровождения с достоверной идентификацией измерений. Использование для этих целей ком- плексной обработки сигналов [24] на основе канонического алгоритма опти- мального оценивания с одновременным приходом измерений от различных датчиков становится непродуктивным. Это обусловлено, прежде всего, неодно- временностью прихода сигналов от разнородных датчиков как внутри одного БПЛА, так и от других БПЛА за счет изменения их взаимного расположения в пространстве. В связи с этим настоятельной необходимостью является разра- Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 84 ботка алгоритмов оптимального оценивания, инвариантных ко времени по- ступления измерений. Другая особенность – необходимость в получении постоянной информа- ции о пространственном положении как своих БПЛА, так и целей, что пред- определяет использование режимов многоцелевого сопровождения. Особенно- стью такого сопровождения являются достаточно большие интервалы времени между поступлениями измерений от одной цели, достигающие нескольких се- кунд [25], в то время как целеуказания средствам поражения и сигналы управ- ления носителем должны формироваться непрерывно. Задача непрерывного формирования этих сигналов при дискретном по- ступлении измерений может быть решена в рамках математического аппарата аналого-дискретной фильтрации. Суть этого варианта фильтрации состоит в том, что экстраполяция оцениваемых координат осуществляется с малым ша- гом, приближаясь по своей точности к аналоговым алгоритмам, в то время как коррекция прогноза выполняется редкоприходящими измерениями. Точность и устойчивость алгоритма аналого-дискретной фильтрации, как и других классических алгоритмов оценивания, зависит от соответствия усло- вий функционирования тем моделям состояния, которые были положены в ос- нову синтеза. Между тем, спецификой функционирования авиационных ин- формационных систем, включая радиолокационные, является высокая степень неопределенности априорных сведений, обусловленная произвольным манев- рированием целей, наличием различного рода радиопомех и т. д. В таких усло- виях классические алгоритмы оптимального оценивания функционируют с точностью, существенно худшей, чем это определяется уравнениями потенци- альных апостериорных дисперсий ошибок фильтрации, или вообще теряют устойчивость вследствие расходимости процессов оценивания. Перспективным направлением, позволяющим уменьшить влияние отме- ченных недостатков, является использование алгоритмов адаптивной фильтра- ции [5, 26], позволяющих приспособить алгоритмы фильтрации к условиям функционирования путем изменения (усложнения) структуры фильтров или путем оценивания их параметров. К настоящему времени известно большое число процедур адаптации [5, 26]: - процедуры совместного оценивания переменных состояния и парамет- ров модели, положенной в основу синтеза; - многоканальная адаптивная фильтрация; - скользящие алгоритмы адаптации, основанные на регулировке пара- метров систем фильтрации. Наиболее простые и чаще всего используемые на практике алгоритмы адаптации основаны на автоматической коррекции коэффициентов усиления невязки или на коррекции результатов прогноза [13]. При местоопределении и сопровождении маневрирующих целей обостря- ется проблема отождествления приходящих от них измерений. Существующие способы идентификации измерений [28], основанные на использовании стробов отождествления, не обеспечивают требуемую достоверность, разрешение и точность дальнейшего сопровождения. Суть этого способа состоит в том, что Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 85 относительно экстраполированного положения на момент прихода измерения строится пространственный строб по дальности, скорости и угловым координа- там. Если сигнал, отраженный от цели, попадает внутрь этого строба, то при- нимается решение об ее идентификации, в противном случае – нет. При сопровождении интенсивно маневрирующих целей необходимо зна- чительно увеличивать размеры стробов, что при групповых действиях может привести к их перекрытию и снижению достоверности отождествления. В связи с этим нужно использовать более эффективные приемы иденти- фикации, основанные на использовании экстремальных критериев на базе квадратичных функционалов, позволяющих учесть существенно большее коли- чество признаков принадлежности полученных измерений конкретной цели. Командная радиолиния управления – как основное средство управления авиацией с АК РЛДН Основным средством для управления одиночными и групповыми дей- ствиями самолетов является технические средства радиосвязи реализующие командную радиолинию управления, посредством которой и осуществляется передача команд различного назначения на борт самолетов и их воспроизведе- ние в них для решения задач траекторного управления, информационного обес- печения и управления аппаратурой управляемого ЛА. В общем случае, на борт самолета передаются главные (функциональные) и разовые команды. Главные команды (значения которых изменяются в процессе наведе- ния) [3]: - требуемый курс; - требуемая скорость наводимого ЛА; - скорость сближения; - дальность до цели; - высота полета; - азимут; - угол места цели; - координаты перехватчика и др. Среди разовых команд различают информационные, управляющие и ко- манды взаимодействия. Информационные команды (дают летчику представление о воздушной и наземной обстановке) [3]: - разовая дальность до цели; - полусфера атаки; - перенацеливание; - признак способа выхода в боевое соприкосновение; - признак государственной принадлежности; - признак поражаемого объекта (тип наземной цели: одиночная, группо- вая); - число своих самолетов в группе и т.д. Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 86 Управляющие команды [3]: - форсаж; - разворот (вправо, прямо, влево); - включение РЛС на излучение; - номер программы полета в вертикальной плоскости; - привод на аэродром и др. Команды взаимодействия (передаются на борт наводимого ЛА перед пе- реходом в зону ответственности другого ПУ) [3]: - номер пункта наведения; - номер новой волны; - номер нового шифра и т.д. В зависимости от конкретной ситуации вся передаваемая информация формируется в виде циклограмм (наборов команд), которые и передаются на борт управляемого объекта. В общем случае различные наборы команд исполь- зуются для командного наведения на воздушные цели, для обеспечения коор- динатной поддержки, привода на аэродром, передачи информации о тактиче- ской обстановке при полуавтономных действиях, передачи команд взаимодей- ствия. Набор любой команды формируется в виде цикла, содержащего несколь- ко подциклов, в число которых могут входить сигналы кадровой (цикловой) и пословной (подцикловой) синхронизации, адрес (шифр) ЛА, для которого пере- дается информация, признак номера команды и значения передаваемых команд в определенной последовательности. В КРУ возможно засекречивание передаваемых команд, выполняемое по тем же процедурам, что и в технике радиосвязи. При применении в КРУ передающей антенны с узкой диаграммой направленности повышается помехоустойчивость, скрытность и облегчается решение задачи электромагнитной совместимости. Ориентация передающей антенны КРУ в направлении объекта управления обеспечивается различными способами. В системах командного радиоуправления истребителями передающая ан- тенна КРУ может иметь очень узкую диаграмму направленности, что суще- ственно затрудняет процесс передачи команд, так как перед его началом надо убедиться в возможности приема передаваемых команд наводимым истребите- лем. С этой целью КРУ сопрягается с системой активного запроса-ответа (САЗО) и, в частности, может иметь общую с ней передающую антенну. Для работы с конкретным истребителем САЗО получает целеуказание от ЭВМ пункта наведения. При нахождении истребителя в луче диаграммы направлен- ности передающей антенны САЗО посылает сигнал запроса. В случае приема этого сигнала на борту истребителя ответчик последнего формирует ответный сигнал, который свидетельствует о возможности приема команд данным истре- бителем. Наряду с ответными сигналами по обратному каналу САЗО с истреби- теля может передаваться и различная другая информация [10]. Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 87 Перспективные направления совершенствования командных радиолиний управления авиацией Все основные показатели системы «АК РЛДН – ЛА (БПЛА)» зависят от совершенства информационного обмена в рамках этой системы. Можно иметь самые совершенные методы наведения и системы их информационного обеспе- чения, но при низких показателях надежности, скрытности и помехоустойчиво- сти и при низкой скорости передачи информации по КРУ конечный результат наведения будет неэффективным. В связи с этим помимо развитию системы управления БПЛА первостепенное внимание необходимо уделить развитию со- ответствующей системы связи – командным радиолиниям управления. Необходимо отметить, что при ведении групповых действий авиации в условиях РЭП значимость радиолиний возрастает еще больше, поскольку они должны обеспечивать не только автономное наведение индивидуальных ЛА, полуавтономные действия, координированное наведение, но и информацион- ный обмен между собой для всех участников группы. При этом выполнение согласованных групповых действий при взаимном удалении ЛА требует применения сетевых принципов информационного обме- на как внутри группы, так и в АК РЛДН, который является не только центром управления, но и одновременно абонентом сети [3]. Сетевой информационный обмен в группе ЛА реализуется путем частот- ного, временного или кодового метода разделения абонентов радиосети [29]. Частотное разнесение (FDМА) при большом числе абонентов радиосети требует значительного частотного ресурса, который на сегодня отсутствует, а также наличия частотных защитных интервалов для исключения взаимного влияния каналов управления друг на друга. В настоящее время наиболее распространено временное разделение або- нентов (ТDМА). Возможности этого метода [3]: - исключение влияния каналов управления ЛА в группе друг на друга, так как они разнесены во времени; - выделение большего количества временных слотов тем ЛА которые имеют более высокие требования к темпу информационного обеспе- чения при управлении; - обеспечение жесткой взаимной синхронизации абонентов за счет еди- ного времени радиосети; - осуществление временной скрытности за счет применения методов пакетной передачи информации. При этом анализ работ [30-34] показал, что наиболее эффективным явля- ется использование временного разделения абонентов на основе алгоритма слу- чайного множественного доступа. Перспективным методом разделения абонентов является метод кодового разделения СDМА, но его реализация требует применения большого числа вза- имоортогональных в широком смысле псевдослучайных кодовых последова- тельностей (ПСП). Число таких ПСП зависит от их длины, а увеличение этой длины приводит к задержкам доставки информации, т. е. налицо противоречие Системы управления, связи и безопасности №2. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-02/03-Smirnov.pdf 88 – увеличение числа абонентов радиосети приводит к росту задержки доставки информации. Это противоречие разрешается применением квазиортогональных кодовых последовательностей, поскольку их значительно больше, чем взаимо- ортогональных, и цифровых компенсаторов взаимного влияния каналов связи. Однако использование квазиортогональных кодовых последовательностей при- водит к значительному аппаратному усложнению аппаратуры связи [3]. Оптимальное решение современных боевых задач требует не только огромного потока информации внутри радиосети, но и адаптивного управления скоростью информационного обмена на каждом участке наведения. До непо- средственного выполнения этапа атаки достаточен темп обновления информа- ции в 10 с. Однако на конечном этапе атаки темп обновления должен быть уве- личен и составлять не более 1 с. Радиосети ТDМА позволяет управлять темпом обновления информации индивидуально для каждого ЛА [32]. Если к каким-то абонентам радиосети необходимо более частое обращение, то в цикле их вре- менные окна размещаются чаще, чем у абонентов с более низким темпом об- новления информации. Применение на АК РЛДН и ЛА антенн на базе АФАР с узкими электрон- но-управляемыми диаграммами, позволяет организовать для определенной группы выделенных абонентов радиосети, находящихся в раскрыве диаграммы направленности антенны, отдельный кластер и обеспечить в нем информацион- ный обмен с максимально возможной для данного кластера скоростью, без уменьшения скорости информационного обмена в остальной части радиосети. При управлении от АК РЛДН индивидуальных ЛА таким же образом может быть реализован режим «точка-точка», при котором достигается максимально возможная скорость информационного обмена излучения [3]. Важным свойством системы управления ЛА является скрытность. Обыч- но различают пространственную, энергетическую и имитационную скрытность. Пространственная скрытность обеспечивается применением узконаправ- ленных антенн с электронным управлением диаграммой направленности при помощи, например, АФАР или адаптивной антенной решетки (ААР). Обнару- жить факт их излучения на больших расстояниях можно только при ориентации основного луча на разведприемник на малых расстояниях по боковому или фо- новому излучению, которое обычно ослаблено на 20-30 дБ. При быстром и осо- бенно хаотичном переключении направлений излучения обнаружение стано- вится еще более затруднительным. Применение ААР антенн, позволяющих формировать цифровым способом нули в диаграмме направленности, ориенти- рованные на источники радиоэлектронного подавления, еще больше затрудня- ют обнаружение факта излучения [3]. Энергетическая скрытность обеспечивается применением сигналов с большой базой за счет использования методов расширения спектра излучения с целью снижения его спектральной плотности ниже уровня шумов. Обнаруже- ние таких сигналов собственным приемником осуществляется автокорреляци- онным методом поиска по частоте и задержке известного по форме сигнала. Для приема таких сигналов используется метод согласованной фильтрации. Поскольку форма сигнала разведприемнику неизвестна, то он реализует его об- |