Информационно-измерительная система беспилотного летательного аппарата Жумабаева Асель Сагнаевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ развития информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов 19

1.1. Предпосылки создания информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 19

1.2. Программы разработок создания информационно-измерительных и управляющих систем и беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 21

1.3. Закономерности развития информационно-измерительных и управляющих систем и беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 29

1.4. Задачи информационно-измерительных и управляющих систем в составе многоцелевых беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 33

1.5. Особенности разработки объектов информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 1.6. Постановка задачи исследования 43

1.7. Выводы по первой главе 51

Глава 2. Разработка системы информационного обеспечения оъектов информационно измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения

2.1 Принципы создания и критерий качества информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 54

2.2 Характеристика информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения в классе робототехнических систем 61

2.3 Этапы применения объектов информационно-измерительных и управляющих систем с беспилотными летательными аппаратами двойного назначения 65

2.4 Методика оценивания показателей эффективности применения объектов беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения 68

2.5 Выводы по второй главе 102

Глава 3. Математическая модель беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения

3.1. Общая характеристика системы моделей беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения 104

3.2. Структурно-параметрическая оптимизация моделей

беспилотных летательных аппаратов с объектами информационно-измерительных и управляющих систем двойного назначения 111

3.3. Вероятностная модель применения БЛА с ИИУС двойного назначения 113

3.4. Модели основных объектов беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения 117

3.5. Выводы по третьей главе 138

Глава 4. Постановка вычислительного эксперимента определения основных характеристик информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения 138

4.1. Характеристика задач и исходных данных моделирования 138

4.2. Оптимизация моделей объектов и структур беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения 140

4.3. Результаты модельного синтеза и вычислительного эксперимента для ИИУС БЛА двойного назначения 147

4.4. Области применения результатов и перспективы ИИУС БЛА ДН 163

4.5. Выводы по пятой главе 164

Заключение 165

Литература

• Программы разработок создания информационно-измерительных и управляющих систем и беспилотных летательных аппаратов двойного назначения
• Характеристика информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения в классе робототехнических систем
• Вероятностная модель применения БЛА с ИИУС двойного назначения
• Оптимизация моделей объектов и структур беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения

Введение к работе

Актуальность темы. Интеллектуализация и автоматизация процессов поддержки управленческих решений по проектированию современных многофункциональных комплексов и систем, к которым относятся активно развивающиеся беспилотные летательные аппараты (БЛА), функционирующие на платформе информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), с целью совершенствования ИИУС за счет улучшения их технических и эксплуатационных характеристик, являются актуальной задачей. Аналитические методы расчета сложных технических систем в сочетании с имитационным моделированием дают возможность наиболее адекватно организовать целенаправленный процесс проектирования основных характеристик многофункциональных беспилотных систем с многоцелевыми ИИУС (далее рассматриваем ИИУС БЛА) с использованием алгоритмических методов структурно-параметрического синтеза. Структурный состав как ИИУС, так и самого БЛА может меняться в зависимости от решаемых задач, их масштабов, видов действий и условий применения.

Проведенный в работе анализ показал, что до 90 % операций, проводимых c применением БЛА с многоцелевыми ИИУС, приходится на область пересечения функциональных особенностей как военного, так и гражданского назначения. В связи с этим актуальна научно-практическая задача создания ИИУС многофункциональных БЛА, способных эффективно решать как народнохозяйственные, так и специальные задачи. Для создания подобных перспективных БЛА необходимо решить важную научно-практическую задачу дальнейшего совершенствования методологии создания «облика» (набора основных тактико-технических характеристик и показателей качества) перспективных многофункциональных БЛА с ИИУС как совокупности методов, моделей и алгоритмов разработки, оценки эффективности, а также оценки их надежности и качества. За последние годы в области разработки методов проектирования беспилотной авиации имеет место определенный прогресс, однако в задачах анализа и синтеза перспективных многофункциональных БЛА как динамических стохастических систем с переменной структурой сохраняются пробелы.

Ввиду жестких ограничений на массу полезной нагрузки ИИУС БЛА, как правило, строится на микромеханических гироскопах и акселерометрах, магниторезистивных датчиках магнитного поля, баровысотомере, датчике воздушной скорости, приемнике ГЛОНАСС/GPS, которые обладают приемлемыми массогабаритными характеристиками.

Управляющая система обеспечивает: автоматический полет по заданному маршруту; взлет и заход на посадку; поддержание заданной высоты и скорости полета; стабилизацию углов ориентации; программное управление бортовыми системами (стабилизация видеокамеры, синхронизированное по времени и координатам срабатывание затвора фотоаппарата, сброс груза или физико-химический анализ атмосферы и земной поверхности и др.).

Для обеспечения автоматического полета по заданной траектории ИИУС снабжено устройством памяти, в которую заносят параметры поворотных пунктов маршрута: координаты, высоту прохождения и скорость полета, регистрируемые ИИУС. Она обеспечивает также передачу телеметрической информации на наземные пункты контроля и управления.

Существующие ИИУС не позволяют обеспечить необходимую точность движения БЛА при решении целевой задачи из-за несогласованности характеристик ИИУС и БЛА. Тем самым подтверждается актуальность разработки методики системного проектирования ИИУС перспективных БЛА.

В настоящее время наблюдается рост интереса к машинным экспериментам по многим процессам, в которых задействованы воздушные и космические средства, в частности БЛА. Роль математического моделирования и вычислительных экспериментов для вновь создаваемых образцов авиатехники в условиях технологического прогресса трудно переоценить.

Вопросам развития теории динамических измерений и методов построения информационно-измерительных систем посвящены работы многих ученых, таких как А. М. Азизов, А. Н. Гордов, А. В. Гориш, В. А. Грановский, С. П. Халютин, К. Л. Куликовский, Е. А. Ломтев, В. С. Мелентьев, Е. А. Мок-ров, Г. П. Нуберт, Э. И. Цветков, В. М. Шляндин, Д. И. Нефедьев, С. П. Ха-лютин и др. Методам случайного поиска оптимальных характеристик динамических систем посвящены научные труды академиков Л. А. Растригина, Д. И. Гладкова, Я. З. Цыпкина, С. А. Прохорова и других видных ученых.

Для анализа и синтеза динамических стохастических систем с переменной структурой в настоящее время активно применяется теория динамических процессов в пространстве состояний и интегрирования обобщенных уравнений Фоккера – Планка – Колмогорова, которая имеет достаточно глубоко проработанные аналитические методы, позволяющие решать задачи синтеза облика перспективных ИИУС БЛА, а также получить экспертно-эвристические методы для его (облика) оценки. В то же время аналитические методы не обеспечивают адекватное процессам решение задачи оптимизации в общем виде, что позволяет говорить об актуальности создания новых методов анализа и синтеза стохастических динамических систем.

Объектом исследования являются информационно-измерительные и управляющие системы перспективных БЛА различных классов и типов.

Предметом исследования являются способы, модели и алгоритмы структурно-параметрической оптимизации ИИУС БЛА.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является научное обоснование технических решений, обеспечивающих совершенствование сложных ИИУС за счет улучшения их технических и эксплуатационных характеристик на основе аналитико-имитационного моделирования и структурно-параметрической оптимизации вновь создаваемых ИИУС БЛА.

Для достижения указанной выше цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

– провести анализ методов синтеза сложных динамических информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов с учетом современных тенденций их мирового развития;

– определить критерии эффективности функционирования ИИУС с целью повышения функциональной пригодности БЛА, основанной на оценке вероятности выполнения народнохозяйственных и специальных задач;

– теоретически обосновать структуру основных элементов ИИУС в составе БЛА, обеспечивающую совершенствование сложных систем их управления;

– разработать структурные и алгоритмические решения по совершенствованию ИИУС для многоцелевых БЛА на основе методов математического моделирования;

– довести теоретические результаты до практической реализации и внедрить их в учебный процесс в Евразийском национальном университете им. Л. Н. Гумилева (г. Астана, Казахстан) и в Пензенском государственном университете (г. Пенза, Россия).

Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы создания информационно-измерительных систем, системного анализа, теории линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории вычислительных систем, теории массового обслуживания.

Научная новизна работы. Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Созданы усовершенствованные информационная модель и программное обеспечение функционирования ИИУС БЛА на основе обобщенной информационной модели БЛА, что позволяет организовать обратную связь от блока оценки вероятностей их состояний и тем самым обеспечить повышение эффективности функционирования ИИУС БЛА (п. 4 05.11.16).

2. Разработана методика структурно-параметрической оптимизации ИИУС БЛА, отличающаяся введением этапа оценки функциональной эффективности ИИУС на основе имитационного моделирования, что при формировании требований многоцелевого БЛА позволяет усовершенствовать структуру и параметры ИИУС (п. 6 05.11.16).

3. Научно обоснован выбор основных показателей эффективности функционирования ИИУС БЛА, отличающийся возможностью оценить качество применения ИИУС как составной части БЛА за счет модульного построения программного обеспечения, что позволяет учесть все многообразие задач функционирования беспилотной авиации при формировании облика перспективного БЛА (п. 2 05.13.01).

4. Предложен алгоритм определения технического уровня объектов ИИУС перспективных БЛА, отличающийся тем, что на этапе проектирования осуществляется проверка адекватности моделей отдельных подсистем ИИУС

с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, что обеспечивает информационную поддержку принятия управленческих решений и тем самым позволяет организовать процесс управления разработкой ИИУС перспективных БЛА с учетом потенциальных рисков невыполнения функциональных задач (п. 2 05.13.01).

Практическую значимость работы составляют:

– методики, алгоритмы и программные средства проектирования многоцелевых ИИУС перспективных БЛА на основе модельного ряда системы аналитико-имитационного моделирования;

– методика формирования совокупности тактико-технических характеристик (облика) ИИУС БЛА на ранних стадиях жизненного цикла, что существенно снижает временные и стоимостные затраты на их проектирование, разработку и испытание;

– информационная система поддержки принятия управленческих решений, позволяющая на основе многокритериального оценивания показателей качества оптимизировать ИИУС БЛА с учетом потенциальных рисков невыполнения функциональных задач.

На защиту выносятся:

1. усовершенствованная информационная модель и программное обеспечение ИИУС БЛА на основе аналитико-имитационных моделей с обратной связью от блока оценки вероятностей состояний и переходных вероятностей, повышающие эффективность функционирования ИИУС БЛА в целом (п. 4 05.11.16);

2. методика определения структуры и параметров моделей ИИУС в составе БЛА, позволяющая усовершенствовать структуру объектов ИИУС (п. 6 05.11.16);

3. набор основных показателей эффективности объектов ИИУС в составе БЛА, позволяющий учесть задачи их функционирования при формировании облика БЛА (п. 2 05.13.01);

4. алгоритм определения технического уровня объектов ИИУС в составе многофункциональных БЛА, обеспечивающий совершенствование сложных систем управления БЛА в ходе выполнения ими задач (п. 2 05.13.01);

5. внедрение научных и практических результатов, полученных в ходе разработки информационной ИИУС в составе БЛА, в практику работы НИУ учебных заведений и в учебный процесс.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты научных исследований внедрены в практику работы подразделений АО ГНПП «Регион» (115230 г. Москва, Каширское шоссе, 13А). Материалы работы использованы при подготовке учебных курсов в Евразийском национальном университете им. Л. Н. Гумилева (г. Астана, Казахстан) и Пензенском государственном университете (г. Пенза, Россия).

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы указывались и обсуждались на международном симпозиуме «Надежность

и качество» (Пенза, 2013, 2015), а также международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие транспорта, транспортной техники и машиностроения» (Алматы, Казахстан, 2013) и на III Национальном симпозиуме «Nanotechnology, Energy and Space» (Almaty, Kazakhstan, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 9 входят в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 5 таблиц. Библиографический список содержит 167 наименований.

Программы разработок создания информационно-измерительных и управляющих систем и беспилотных летательных аппаратов двойного назначения

Системно-технические закономерности создания беспилотной авиации Создание беспилотной авиации означает появление нового вида авиации, а не просто нового вида самолетов и вертолетов. В связи с этим разрабатываемые американскими фирмами концепции перспективных БС с ИИУС тем или иным образом затрагивают изменение концепций существующих авиационных систем, в рамках которых происходит функционирование самолетов. Так, известная фирма Локхид Мартин, исследуя в рамках программы JSAAWS пути развития БА с ИИУС палубного базирования, не ограничилась рассмотрением только одной концепции БС с ИИУС. Она пришла к рассмотрению новой концепции авианесущего корабля-арсенала, одним из элементов системы вооружения которого является летное подразделение БС. Системный подход к исследованию путей развития беспилотной авиации с ИИУС наглядно демонстрируется содержанием технических предложений, разрабатывавшихся фирмами – участниками первого этапа программы UCAV-ATD. Известные фирмы Боинг, Нортроп Грумман, Локхид Мартин и Рейтеон представили не только концепции вариантов для ВВС США, но и концепции тех авиационно-технических систем, которые будут являться основными составляющими беспилотной авиации. В представлении фирмы Рейтеон такой авиационно-технической системой должно стать авиационное подразделение БС с ИИУС и средства их технического обслуживания, в том числе специальные контейнеры для длительного хранения летательных аппаратов, а габаритные размеры контейнеров были выбраны с учетом их размещения в грузовой кабине военно-транспортного самолета С-130, что обеспечивает возможность оперативной (в течение суток) переброски рассматриваемой технической системы в любую точку мира, где возникает необходимость применения БС с ИИУС. Согласно требованиям самой программы UCAV-ATD каждая фирма – участница этапа разработки технических предложений должна была помимо проекта БС как летательного аппарата с ИИУС представить соответствующее обоснование по средствам эксплуатации и средствам управления применением [3, 4, 25, 26, 27, 28, 29, 31].

Информационные концепции создания беспилотных систем с ИИУС Общим положением для всех концепций по рассматриваемому вопросу является взгляд на применение беспилотной авиации как на функционирование некоторой информационной сети. Согласно первым представлениям по данному вопросу в информационной системе, определяющей возможности функционирования БС с ИИУС, выделены следующие основные компоненты: - бортовые системы БС получения информации и ее обработки; - информационная сеть оперативного обмена информацией между БС; - каналы получения данных от различных источников информации; - линии двухканальной связи с пунктами (комплексами) управления; - пункты управления наземного, морского и воздушного базирования. Сами операторские пункты управления рассматриваются как некоторый унифицированный компонент системы, имеющий только различные варианты базирования. Предположительно, на борту самолета, выполняющего функции воздушного пункта управления действиями БС с ИИУС, предполагалось разместить до 8-10 операторов, каждый из которых мог обеспечить управление действиями 2-3-х БС, находясь от них не расстоянии до 180км. Но такая точка зрения вызвала негативную реакцию у специалистов ВВС США. Прежде всего, возникли сомнения по поводу возможности обеспечения устойчивой связи командного самолета с управляемыми БС с ИИУС на расстоянии до 180км в реальных условиях, когда противник с помощью различных средств «информационной войны» будет воздействовать именно по линиям информационной коммуникации.

Большие сомнения вызывают возможность управления групповыми действиями БС из одного оперативного пункта с расстояния 180 км. Такие сомнения возникли сразу после специально проведенного испытания, в котором управляемые с земли четыре самолета-мишени OF-106 выступили в воздушном бою против четырех пилотируемых истребителей F-15. Применению самолетами F-15 управляемых ракет AIM-120 AMRAAM дистанционно пилотируемые летательные аппараты могли противопоставить низковысотный полет, использование встроенной системы активных радиолокационных помех и ИК-ложных целей. Проведение этого испытания позволило сделать вывод о том, что во всех случаях, когда в составе группы находится более 2…3-х БС, задача управления их применением становится для оператора сложной. Подобные оценки привели к появлению концепции многоуровневого управления управлением БС. Суть ее состоит в разделении операторов БС на две основные группы с различными функциями. Одна должна обеспечивать все полетные операции, связанные со взлетом, выходом на маршрут, решением навигационных задач (включая и возвращение на базу) и посадкой БС. Другая группа БС обеспечивает применение БС с ИИУС по назначению.

Качественно различные функции определяют и качественно разный способ реализации операторских пунктов управления. Операторы первой группы могут находиться на наземных пунктах управления, а в случае быстротекущих действий на борту специализированного самолета, играющего роль летающего командного пункта. Судя по имеющимся оценкам, один оператор наземного пункта (комплекса) уже может управлять до 5…8 БС с ИИУС [32, 33].

Характеристика информационно-измерительных и управляющих систем беспилотных летательных аппаратов двойного назначения в классе робототехнических систем

В каждой структуре динамическая система (1) работает в течение времени Tx=tl - tl, в котором tl и tl - моменты включения и выключения Л объектов Л-й структуры; t0=t\,tk= tkk, tlk = C+l) ,T = Y,TZ. Отрезки времени работы системы Тл и моменты переключения структур могут быть случайными и неслучайными. Сигналы в модели (1) X (0 и 7 (0 связаны с вероятностями как Р(х), P(Y). В свою очередь, выходной сигнал Y (t) характеризует систему (1) и ее качество, несет полную информацию о ее функциональном совершенстве, надежности, ремонтопригодности, затратам на разработку и обслуживание. К выходному сигналу Y (0 предъявляются особые требования в виде требуемого (желаемого ЛПР) сигнала Гт, связанного с ТТХ БЛА с ИИУС ДН.

Минимизация разности векторов 7 и 7т характеризует управление качеством на протяжении всего жизненного цикла комплекса. Наличие любого отклонения матриц 7 от 7Т - это потеря в качестве СТС (1). При оптимизации объектов в имитационной модели применения БЛА с ИИУС по функциональному назначению показатель 7т с вязан с X{t) по условию некоторого управляющего задающего сигнала Sc, связанного звеньями и объектами из модельного ряда БД. Связав управляющий сигнал (для матриц Г и Гт) сложным событием , получим критерий оптимизации модели АУв виде Р(\Av,Sc). Событие - сложное и связано целью функционирования (проводимой операции) БЛА с ИИУС ДН.

Поиск оптимальной модели объекта ИИУС в БЛА ведется в интересах проводимой (моделируемой) операции и под воздействием сигналов управляющей матрицы Sc, которая является блочной и состоит из двух матриц &i и Sc2 (матрицы управления параметрами и управление выбором моделей из БД объектов БЛА с ИИУС ДН). Требуется определить управляющую матрицу SC=S0 так, чтобы вероятность Р(\Sо) события была максимальной. Максимальная эффективность поиска объектов достигается махP()=P(Sо), Sbi Soi 60 Sо = S01 =… S02= … S02 , 02 , C0 М , где S .(/ = 1,r) - оптимальные параметры, С .(J = 1,r) - оптимальные решения. Особенностью проблемы синтеза ИИУС перспективных БЛА является то, что постановка задач включает лишь часть перечисленных составляющих, а именно -набор показателей эффективности и, возможно, некоторые ограничения, краевые условия и характеристики среды функционирования. Определение остальных компонент осуществляется в процессе проектирования ИИУС перспективного БЛА.

При выборе метода принятия решений в разработке многофункциональных ИИУС и КБЛА ДН учитываем два основных фактора: - соответствие выбираемого метода (или комбинаций нескольких методов) объективным характеристикам решаемой задачи (см. постановку задачи в данной работе) на к-м этапе (уровне) разработки (в соответствии с постановкой задачи на проводимые измерения показателей и исследования); - учет объективных (временных, вычислительных и др.) и субъективных (квалификации, допустимых трудовых затрат ЛПР) ограничений.

КБЛА с ИИУС характеризуются большим числом разнообразных характеристик и параметров, но среди них есть также основные, определяющие назначение БЛА, такие как продолжительность полета, масса полезной (боевой нагрузки), области допустимых режимов полета-ОДРП и возможных сбросов (ОВС) груза и т.д. Среди признаков классификации беспилотных систем, для робототехнических систем вообще и авиационных робототехнических систем в частности, основным является разделение беспилотных систем по целевому назначению. В соответствии с определением робототехнические системы (РбТС) в современной авиации можно разделить на основные и обеспечивающие. Последние в свою очередь, включают в свой состав РбТС основного обеспечения, технического обеспечения и тылового обеспечения. РбТС разделяются по типу рабочей среды. С учетом этой точки РбТС являются воздушными, а РбТС технического и тылового обеспечения - наземными средствами [10, 29, 39, 46, 47, 48, 49].

Авиационные беспилотные системы БС-РбТС представляют собой беспилотные летательные аппараты (БЛА). При этом наряду с основным предназначением БЛА могут выполнять и ряд задач функционального обеспечения. По массогабаритным характеристикам современные РбТС разделяются на малоразмерные (массой до 200кг), среднеразмерные (от 200 до 2500кг) и крупноразмерные ( 2500кг).

Одним из важнейших аспектов создания и применения БЛА ДН является вопрос об управлении. По виду управления современные БС и БЛА (табл. 2.1) различают следующие СУ [13, 43, 50, 51, 52,]: - автономно пилотируемые БЛА (АПЛА) с ИИУС ДН; - дистанционно пилотируемые БЛА (ДПЛА) с ИИУС ДН. Другим важным признаком классификации, связанным с управлением БЛА, является тип систем управления. По этому признаку для робототехнических систем различают следующие системы управления БЛА с ИИУС: - программные СУ БЛА ДН; - адаптивные СУ БЛА ДН; - интеллектуальные СУ БЛА ДН.

Все они обладают способностью перепрограммирования, т.е. свойством изменять управляющую программу. В программных системах управления перепрограммирование осуществляется оператором, после чего робототехническая система действует однообразно, повторяя «жестко» заданную программу. В адаптивных системах управления основы программы закладываются оператором, но РбТС имеет свойство в определенных рамках автоматически перепрограммироваться (адаптироваться) в ходе решения поставленных задач (управляемого процесса) в зависимости от обстановки, которая неточно определена заранее. В интеллектуальных системах управления (ИСУ) полетное задание вводится оператором ИИУС [10, 33, 52]. Роботизированные и робототехнические авиационные комплексы Б, если основные ТС являются робототехническими; hii Б, если являются не робототехническими системами.

С целью определения степени и характера роботизации комплексов введем в рассмотрение матрицу Н роботизированных свойств комплекса. Число столбцов матрицы Н равно числу видов рассматриваемых технических средств: основные; обеспечения; технического обеспечения и тылового обеспечения. Каждый из видов технических средств может находиться в одном из двух состояний – система является роботизированной либо робототехнической. Тогда с учетом рассматриваемых технических средств число состояний авиационного комплекса составляет 24=16 определяет число строк матрицы Н с соответствующими элементами.

Вероятностная модель применения БЛА с ИИУС двойного назначения

В общем случае модель процесса преодоления потенциальных угроз для БЛА ДН складывается из трех основных «угрожающих» этапов его в применении: - прорыв зоны угроз (облако радиации, хим. зар. местности, биолог.зар., РЭБ и др.угрозы) БЛА; - преодоление других потенциальных угроз БЛА (ПВО, облет облака); - преодоление (обратное) угроз при возвращении в район посадки. Эффективность преодоления угроз на 1-м этапе главным образом зависит от организации этого обеспечения. Второй этап состоит из двух подэтапов: - автономного полета к объекту действий группы БЛА с целью выхода в район объекта, его поиска, обнаружения и распознавания объекта-цели; - выход БЛА на заданную траекторию после доставки груза к объекту-цели и возвращение в назначенное полетным заданием место посадки.

Эффективность преодоления потенциальных угроз, например ПВО на этом этапе главным образом зависит от применения индивидуальных средств РЭБ БЛА, условий и способов выхода на цель и ее возможной атаки.

Эффективность оценки также следуют из выражений, полученных в результате декомпозиции в работе общих критериев эффективности КБЛА с ИИУС ДН, в частности для коэффициента Г101: Рц (2-36) зе = F(—,Q\ N где Рц - вероятность доставки груза назначения к объекту-цели БЛА ДН; N - наряд сил, включающий и группу обеспечения БЛА ДН; коэффициент Q учитывает все основные компоненты для вычисления показателя выживаемости Рвж; Руг -вероятность потерять БЛА ДН в воздухе в результате потенциальных угроз (ПУ); Руз - вероятность потерять БЛА ДН непосредственно на земле. С учетом описанных выше этапов, условная вероятность потери БЛА Р пв = 1-(1-рпв1)(1-р пв2), (2.37) где компоненты выражены (1 -рпв1) = (1 -р{м1))(1 -р(п в п 1\)(1 -рп авт1))., р пв2 - вероятность потери каждого БЛА ДН при возвращении; рп мв1) - вероятность потери каждого БЛА ДН на маршруте полета; рп в п 1\ - вероятность потери каждого БЛА ДН при поиске объекта-цели; р{ат1) - вероятность потери каждого БЛА ДН при доставке груза. Среднее число (угроз) воздействий ц по группе БЛА ДН на любом отрезке полета зависит от числа таких воздействий, в зоне действия которых попадает группа, вероятностей потери БЛА ДН в одном заходе [10]: (2.38) = 2 vJbр сбj,j = l,...,nтк, j=i где rij - среднее число угроз j-го типа, в зоны действия которых попадает группа на данном отрезке полета; Vji - среднее число воздействий потенциальных угроз j-го типа, в зону действия которого попала данная группа БЛА ДН; рсб) - средняя вероятность потери БЛА из за угроз j-го типа в одном заходе; птк - число типов потенциальных угроз на данном отрезке полета БЛА. В связи с тем, что на эффективность действия ПУ наиболее существенное влияние оказывают такие факторы, как применение специальных средств РЭБ, маневрирование, а значения для оценки и измерений показателей Vji и р сбj представляются в информационно-измерительной системе: VJI = Vji -kРЭБjvkманjvkопj-kуv, (2.39) р сбj = р сб0)- kРЭБjр-kманjр- kур , (2.40) где Vji(0), р сбj(0) - значения Vji и р сбJ в отсутствии угроз (ПУ); коп, kРЭБv, кРЭБр, kманV, кманр - коэффициенты, характеризующие снижение соответствующих показателей функциональной эффективности средств ПУ в результате применения противником средств РЭБ или маневрирования; kуv, kур - коэффициенты, характеризующие изменение (увеличение или снижение) соответствующих показателей эффективности средств угроз при дистанционном или автономном управлении режимами полета БЛА ДН.

Оценка и измерения этих показателей производится на основе экспериментов или на разработанных моделях более низкого иерархического уровня. Влияние на эффективность преодоления ПУ различных факторов, характеризующих РбТК - КБЛА, условия применения и принятое решение на применение, проявляются: - числом основных ПУ угроз (учитываемых рисков), в зоны действия которых может попасть группа БЛА ДН за данное время полета; - числом возможных воздействий по одному или по группе БЛА ДН; - вероятностью потери БЛА ДН в каждом заходе. Можно записать следующую модель зависимости для оценки показателя вероятности Рпу преодоления БЛА потенциальных угроз Рпу =\- Рпв- (2.41) Конструктивные особенности в модели выбираются в основном по характеристикам показателя живучести (см. ранее Рвыж ), устойчивости полета и возможности его обнаружения Робн. Снижение возможности обнаружения БЛА обеспечивается уменьшением его отражающей поверхности (ЭПР) и мощности его теплового ИК - излучения. Это приводит к уменьшению значений показателей дальности Dмах обнаружения, соответственно Робн. и захвата Рзахв. БЛА РЛС и сокращает среднее число воздействий угроз по нему. Индивидуальные средства для РЭБ позволяют в 5-10 раз снизить среднее число поражающих воздействий угроз по БЛА. Система навигации с огибанием рельефа местности дает возможность уменьшить высоту полета БЛА. Уменьшение высоты полета снижает дальность обнаружения ЛА средствами угроз и среднее число их воздействий по нему. Моменты третьего фактора эффективны за счет изменения высоты и скорости полета БЛА, их маневрирования, маршрута полета. Скорость БЛА определяет время его пребывания в зоне действия угроз, а на малых высотах - также угловую скорость перемещения БЛА относительно средства угрозы. Рациональность выбранного маршрута полета БЛА определяется возможностью для облета выявленных средств потенциальных угроз по высоте и направлению.

Модель оценки воздействия на объекты БЛА ДН ( спецоперация ) Среднее число атак ц(n) группы БЛА с ИИУС ДН определяется формулой ц=цпзппз, (2.42) где \іпз - среднее число эффективных атак комплексов ПВО (угроз) по группе за время одного поискового захода; Ппз - среднее число поисковых заходов группы, равное среднему числу поисковых заходов каждого БЛА. При моделировании процесса поиска и обнаружения объекта-цели ИИУС должны быть отражены следующие основные факторы: - случайное положение объекта-цели в заданном районе и время или относительно указанной точки ее ожидаемого положения в зависимости от точности исходной информации; - случайное событие «обнаружение и опознание» наземной цели в очередном заходе на цель при поиске в зависимости от условий поиска и применяемых для обнаружения поисковых и прицельных средств ( ПС ); - область Q1 возможных атак цели с ходу (область положения БЛА относительно цели, из которой цель может быть атакована в данном заходе);

Оптимизация моделей объектов и структур беспилотных летательных аппаратов с информационно-измерительными и управляющими системами двойного назначения

Имитационное моделирование функционирования объектов БЛА ДН является вычислительным экспериментом и представляет, в принципе, конечный этап разработки новых моделей и объектов в ИИУС ДН. Также здесь часто применяют классические методы оптимального управления (ОУ) объектами – достаточно изученный и широко применяемый аппарат научного исследования. Следует отметить, что этими вопросами занимались многие видные ученые и в разных учреждениях, например, инвариантное (независимое) управление динамическими системами глубокими корнями связано с работами ученых академиков А.Н. Крылова и В.С. Кулебакина, А.А. Красовского и Б.Н. Петрова, Ю.С. Васильева и Н.А. Кузнецова, Н.Н. Лузина, профессоров Г.В. Щипанова, Б.Т. Поляка и др. В известных работах профессоров В.Ю. Рутковского и С.Д. Землякова развиты методы, модели и алгоритмы двукратной инвариантности адаптивных системах координатно-параметрического управления. Следует здесь отметить, что задачи инвариантного управления возникают тогда, когда необходимо компенсировать возмущающие факторы, действующие на нормальный режим работы объекта СТС. Множество задач на ОУ объектов СТС ДН можно условно разбить на 3 основные группы задач: 1 - я группа - это задачи по критерию максимального быстродействия; 2-я группа -это задачи, связанные с конечным состоянием; 3-я группа - это задачи оптимизации динамических систем по квадратичному критерию. Представим модель для управления динамическим объектом (см. НММ ВВИА, а индекс структуры s пока опустим и в правой части уравнения 3-й член (т.е. шумовую составляющую пока уберем) в виде [18, 42, 61, 62, 104] Y = A(Y;t)+B(Y;t)u, 7(ґ0) = 70 (4.9) где Y GR",uGRm - векторы состояния и управления БЛА ДН; здесь вектор Y непосредственно не измеряется; B(Y;t)- матрица соответствующей размерности с известными параметрами; A(Y;t) - известная вектор-функция в модели. Cинтез закона управления объектом БЛА ДН (рис. 4.7) формализуется YT = Ат (YT ;t) + BT (t)V, YT (t0) = YT0, (4.10) где YTGR", Ar(Yr;t) - вектор-функция с непрерывными компонентами, формализуемыми требуемую (или желаемую ЛПР) динамику в модели СУ БЛА ДН; BT(t), V є Rm- матрица переменных, вектор управления у второй модели. Качество данной динамической системы оцениваем по ошибке в виде E(t)=Y(t) - YT(t). (4.11) Объект 1-й модели управления будет отслеживать траекторию второй [105] B(Y;t)L[AT(YT;t)-A(Y;t) + BT(t)V] = 0 , (4.12) где B(Y;t)L - матрица с левым делителем нуля максимального ранга. Управление в модели движения БЛА ДН формируется на множестве {и}л =[B(Y;t)] [Ar(Yr;t)]-A(Y;t) + [B(Y;t)] Br(t)V + B(Y;t)RA, (4.13) где A Rm rB - вектор с произвольными значениями для этих компонентов; R B(Y;t) =0, (rB=m) - управление и будет единственным. Множество законов управления в работе используется для решения задач обеспечения безопасности полетов БЛА и при реконфигурации в модели СУ. Из последнего множества можно получить и закон при дополнительном требовании на минимум эвклидовой нормы вектора управления, в таком случае вместо свободного канонизатора B(Y;t) вектора управления используется случай для псевдообратной матрицы вида [B(Y;t)]+, а значения для равны нулю [2.45]. B(Y;t)=Mz (4.14) s I z I \сс \Yaa + (oz +Ya0+(gcos(S-a))/V Y = \ю ; Л(7;)= Mza + Mzzcoz + Mzo к mz Решение задачи поиска ОУ объектом БЛА с ИИУС ДН приводит к управлению в виде u=-KY, в котором сама матрица для коэффициентов регулятора К определяется методами ленточных критериев.

Научно-методической основой формирования рациональных структур в построении КБЛА с ИИУС ДН в интересах решения народнохозяйственных проблем и проблем других ведомств РФ является - определение задач, решаемых данной системой. К основным пересекающимся решаемым задачам КБЛА ДН следует отнести - воздушную разведку и ее виды, обеспечение информацией навигации и связи объектов различного назначения, постоянный мониторинг среды, транспортировку и доставку грузов к месту назначения, «снабжение информацией» силовых структур и народного хозяйства.

Таким образом, на основе исследования технического уровня и оценки основных показателей качества в задачах функционирования КБЛА с ИИУС ДН следуют и основные задачи, они следующие (см. рисунок 4.8): 4. Обнаружение и распознавание объектов (разведка) объектов-целей Рпо. 5. Доставка различного груза к объекту-цели - Рц М[U]. 6. Мониторинг (и контроль) пространства (контроль сброса груза) - Рк. По результатам модельного синтеза впервые определена оптимальная система управления многофункционального комплекса с БЛА ДН, как многоканальная, многосвязная и многоуровневая. Схема интеграции навигационной системы БЛА ДН в глобальной спутниковой системе ГЛОНАСС / GPS приведена на рисунке 4.10.

Имитация сброса груза производилась с высоты полета БЛА Н=2000 м, при скорости полета V6= 200 м/с с углом бросания авиационного неуправляемого грузакб = Оград. в ясный день, штилевые условия (типовая операция). Оценкой вероятности выполнения БЛА поставленной задачи являлась частота появления события 6ц. Оценку вероятности доставки груза к объекту-цели Рц находим в статистических испытаниях ИИУС в составе БЛА компьютерном (имитационном) моделировании. [ (4Л5 ) рц =М[Р] = - Р1,- Р1=1-Р(0ц), P(Qn)= Qi,hT) = \1 h(0 n; п 1=1 [О, h(tt) rn. Необходимое число наблюдаемых испытаний пя выбиралось как где єр,ир- заданное значение доверительного интервала (єр =+о,оз) и аргумент вхождения в табличные функции Лапласа; q = 1 -Pц. Отсюда следует Pц=Pц±ер.

Вычислительный эксперимент показал неприемлемые результаты -вероятность доставки авиационного неуправляемого груза к целевому объекту-цели составила Рц=P(0ц) 0.0016 (фрагмент испытаний моделей ИИУС показан на рисунке 5).

Расчет траектории полета груза ( груз массой m =100 кг ) в вертикальной плоскости, сбрасываемого с высоты полета БЛА Н =2 км на скорости Vб =200 м/c Проводилось компьютерное моделирование по доставке авиационного груза ОЦ в простых метеоусловиях и без учета противодействия конфликтующей стороны. Моделирование задач информационного обеспечения ИИУС по доставке к объекту-цели самонаводящегося управляемого груза (в тех же условиях применения) значительно повышает результативность действий БЛА - основной (один из ведущих) показатель качества и функциональной эффективности БЛА значительно увеличивается Рц и его вероятностные измеренные значения составляют 0.97.

Проведенные в работе исследования показывают, что эффективным является режим телеуправления авиационным управляемым грузом (характеристики точности доставки груза к объекту приближенны к характеристикам режима самонаведения), при этом считалось, что функции ретранслятора для созданных объектов и модели ИИУС и вычислительном эксперименте модель БЛА (6) выполняет успешно.

Наряду с вышесказанным подходами применяется ускоренная оценка (экспресс метод) для «экстренного» определения коэффициента технического уровня Кту, также может быть использована на ранних предварительных этапах проектирования и испытаний многоканальной ИИУС и других образцов СТС. Такая упрощенная оценка дается, как правило, при первичном отборе образцов по формуле сравнения выходных параметров Г() новых, старых и известных аналогов из мирового уровня объектов многоканальных ИИУС и сравниваемых образцов-объектов многофункциональных авиационных систем: