Известно, что задачи-проблемы, возникающие в процессе полета перед самолетом-истребителем, группируются вокруг следующих трех глобальных уровней управления (ГлУУ):
• уровень целеполагания, постановки / выбора текущей цели функционирования самолета (1-й ГлУУ);
• уровень выбора способа достижения поставленной на 1-м ГлУУ цели (2-й ГлУУ);
• уровень реализации способа достижения цели, выбранного на 2-м ГлУУ (3-й ГлУУ).
Эти проблемы решаются совместно экипажем (через алгоритмы его деятельности - АДЭ) и аппаратно-программными средствами борта, основу которых составляет бортовое алгоритмическое и индикационное обеспечение (АиИО) функционирования системы "летчик-бортовая аппаратура-самолет". Сегодня эту функционально целостную совокупность АиИО и АДЭ справедливо называют бортовым интеллектом. Ниже мы проследим развитие бортового интеллекта многофункциональных самолетов-истребителей.
Современные истребители-перехватчики обладают высокими аэродинамическими, маневренными, тактико-техническими и боевыми данными, ибо предназначены для поражения противодействующего воздушного противника в сложных условиях ведения боевых действий. Реализация указанных характеристик авиационного комплекса возможна только путем организации высокоэффективного управления самолетом на различных этапах его применения. Развитие авиационной техники показывает, что в тех случаях, где невысок уровень совершенства решаемых задач управления, низка степень автоматизации, отсутствует учет особенностей, ограничений и возможностей самолета и его систем— там заметно снижена общая эффективность боевых действий, а летчик перегружен нетворческими операциями, отвлекаясь на пилотирование и обеспечение безопасности полета. Основными функциями перехватчика как носителя ракетного вооружения при действиях по воздушным целям является доставка оружия, обеспечение условий обнаружения и сопровождения целей, вход в зону пуска, выдерживание условий пуска ракет, достижение преимуществ над противником. Решение этих и многих других задач требует создания и дальнейшего совершенствования алгоритмического обеспечения бортовых систем управления, расширения и более полного использования допустимых эксплуатационных областей полета, повышения степени автоматизации управления. Процесс разработки алгоритмов управления всегда в большой степени являлся искусством. Большинство существующих методов синтеза систем управления зачастую могут быть применимы лишь в модельных задачах. Многочисленные "практические" результаты оказывались неприемлемыми для реальных условий функционирования объекта управления или не соответствовали достигнутому уровню развития элементной базы и аппаратуры. Требования, предъявляемые к процессам и алгоритмам управления со стороны объекта, решаемых боевых задач, летчика, - чрезвычайно разнообразны и высоки. Представляется полезным рассмотреть некоторые из общих положений методологии проектирования алгоритмов управления боевым самолетом как важнейшей составляющей его бортового интеллекта. Если говорить о методической стороне создания алгоритмического обеспечения режимов и задач боевого управления истребителем, то следует отметить основные принципы и подходы, которые лежат в основе технологии алгоритмизации и автоматизации управления при решении задач перехвата.
1. Широко используется принцип декомпозиции полной системы управления. Это позволяет рассматривать различные уровни управления, имеющие иерархический характер, синтезировать субоптимальные алгоритмы, а также формировать ряд входящих один в другой контуров управления, различающихся частотной областью управляемых процессов и сигналов. Предварительный синтез законов управления и выбор коэффициентов усиления в этом случае основывался на приближенном учете динамики внутренних контуров при сохранении важнейших нелинейных свойств и явлений, им присущих. Разбиение на быстрое и медленное движение позволяет в многочисленных задачах траекторного управления самолетом не учитывать подробно динамику высокочастотных (внутренних) контуров. Специальным приемом, также реализующим принцип декомпозиции, является разделение по каналам управления самолетом, например, в вертикальной плоскости (управление перегрузкой), в горизонтальной плоскости (управление углом крена) и в продольном канале (управление тягой), с обязательным учетом взаимовлияния этих каналов. Рассматриваемый принцип явился важнейшим при решении основных задач управления истребителем в режимах перехвата. Эффективное использование этого приема осуществляется в нескольких направлениях - декомпозиция общей задачи боевого управления, декомпозиция бортового алгоритмического обеспечения, решающего эту задачу, и декомпозиция структуры и состава бортового комплекса управления, реализующего указанное алгоритмическое обеспечение. Общие задачи управления при перехвате разделяются на частные задачи: навигационные, наведенческие, программного управления, самонаведения, управления при групповых действиях и др. Алгоритмическое обеспечение решения этих задач разбивается на уровни управления - интеллектуальный, формирования траектории, управления по траектории, реализации управления. Декомпозиция уровней управления и алгоритмического обеспечения зачастую оказывается просто необходимой, ибо требуемая вычислительная производительность БЦВМ быстро возрастает с увеличением размерности вектора состояния.
2. Применение разветвленной логики обеспечивает выбор режимов и способов управления, изменение структуры, переключение законов управления, адаптацию к условиям функционирования. Только использование специальной логики, представляемой, например, в виде программ-диспетчеров, позволяет: осуществлять переходы от одной задачи управления к другой, реализовать этапность боевого полета по времени и в пространстве, эффективно реагировать на изменяющиеся внешние условия, обеспечить управление по командам экипажа и внешних систем. Именно логические преобразования дали возможность реализовать в широком смысле принцип адаптации управления и изменения структуры. Практически в каждой из систем алгоритмов имеются блоки логического выбора различных способов, режимов, законов и параметров управления. Входной информацией этих блоков являются всевозможные разовые команды и признаки, команды летчика или внешнего командира, поведение цели, условия применения и др. Режимы управления, структура соответствующей системы и решаемые задачи определяются, например, источником информации о внешней обстановке (внешние или бортовые информационно-управляющие системы) или качеством информации (полное или неполное приборное обеспечение, регулярная или нерегулярная информация).
3. Процессы управления подвергаются оптимизации по самым разнообразным критериям, в том числе комбинированным. Возможности оптимизации при синтезе алгоритмов управления самолетом определяются критериями (функционалами), методом решения оптимизационной задачи, допустимыми или заданными ресурсами вычислителей и другими факторами. Сложность, а зачастую и невозможность применения разработанных методов и процедур оптимального синтеза систем управления летательным аппаратом вынуждают проектировщиков использовать определенные приемы и подходы, связанные с приближенной оптимизацией, построением квазиоптимальных алгоритмов. Сюда можно отнести, например, иерархическую оптимизацию, основанную на декомпозиции полной системы управления и отдельной оптимизации каждого уровня. Иногда оптимизация применяется для упрощенной, модельной задачи, в системе низкого порядка; ее результаты используются в качестве опорных, идеальных характеристик или для формирования субоптимального управления для системы высокого порядка. Применение принципа разделения систем при приближенном оптимальном решении позволяет отдельно, самостоятельно разрабатывать алгоритмы обработки информации и алгоритмы управления; задачи оценивания и фильтрации, с одной стороны, и задачи собственно управления - с другой, рассматриваются раздельно или последовательно. При таком подходе субоптимальная система будет состоять из системы оценивания, построенной для детерминированного управления, и системы управления, использующей вместо вектора состояния вектор его оценки и имеющей алгоритмы, соответствующие детерминированной задаче. В ряде случаев задача оптимизации разбивается на две достаточно самостоятельные задачи - траекторную и стабилизации; это приводит к отдельной оптимизации невозмущенного (программного) движения и оптимизации процессов стабилизации на программной траектории. В последнее время успешно развиваются методы аналитического решения задач оптимизации. Весьма эффективным при синтезе алгоритмов траек-торного управления самолетом, пожалуй, можно считать использование принципа минимума обобщенной работы, разработанного А. А. Красовским и его учениками. Он применим как на стадии предварительного проектирования (разработки) алгоритмов, так и при совмещенном синтезе (формировании оптимального управления в процессе полета). Перспективное направление решения оптимизационной задачи аналитического конструирования основано на использовании прогнозирующих моделей , что позволяет проводить оптимизацию управления сложным нелинейным объектом. В ряде режимов оказывается рациональным построение набора оптимальных решений траекторных задач для необходимого диапазона начальных, конечных и внешних условий с их последующей аппроксимацией в форме, удобной для БЦВМ. Возможность использования современных производительных БЦВМ делает необходимым постановку более широких исследований по оптимизации режимов полета, оптимальному синтезу алгоритмов управления, корректировке используемых решений и подходов с целью более полного использования возможностей истребителя и его бортового оборудования.
4. Важнейшим элементом и этапом создания алгоритмического обеспечения задач управления следует считать использование моделирования. В технологии разработки математического обеспечения систем управления его роль весьма значительна, ибо только в процессе математического и полунатурного моделирования проверяется идеология управления, уточняются методы, законы управления и коэффициенты усиления, устанавливается приемлемость алгоритмов всему многообразию требований со стороны боевого применения. Математические модели обычно включают полное описание динамических, статических и других характеристик элементов системы управления, включая различные нелинейные эффекты, а также особенности внешних и внутренних информационных потоков. Методы математического моделирования позволяют производить анализ качества выполнения системой поставленных задач, определять показатели динамических характеристик и устойчивости процессов управления, степени безопасности боевых маневров. С помощью полунатурного моделирования путем имитации внешних условий и боевых ситуаций окончательно отрабатывается математическое обеспечение бортовых вычислителей. Оценка степени автоматизации, способов управления самолетом на конкретных этапах полета, взаимодействия летчика с автоматикой и информационно-управляющим полем осуществляются только при полунатурном моделировании с использованием стендов, кабин, реальной аппаратуры.
5. При проектировании, разработке и исследовании алгоритмов управления, позволяющих решать сложные задачи боевого применения, проявляется необходимость комплексного рассмотрения свойств этих алгоритмов. Для иллюстрации многомерного и многопланового характера алгоритмического обеспечения следует отметить отдельные среды функционирования системы управления и ее алгоритмов. Во-первых, система управления представляется как управляемая динамическая система, описываемая обычно интегрально-дифференциальными или дифференциально-операторными уравнениями, учитывающими свойства и состояние объекта, а также ограничения на фазовые координаты. В этой среде, которую назовем динамической, решаются задачи оптимизации и определяются управления, удовлетворяющие выбранным критериям качества или функционалам. Именно в динамической среде синтезируются алгоритмы, выбираются коэффициенты усиления законов управления, оценивается качество реализуемых процессов управления. К показателям качества, характеризующим динамическую среду алгоритмизации боевого управления, относят точностные данные, величины расхода управляющих воздействий в процессе наведения и атаки, параметры колебательности по перегрузке и крену, общие динамические характеристики выбора ошибок прицеливания, наведения и управления. Во-вторых, алгоритмы управления оказывают целенаправленное преобразующее воздействие на информационные потоки и процессы, протекающие в системе управления. В этом смысле можно говорить об информационной среде функционирования алгоритмического обеспечения, ибо система управления взаимодействует с широким набором информационных систем (как бортовых, так и внешних). Методы решения задач управления и алгоритмы, их реализующие, в решающей степени определяются качеством, свойствами и полнотой информационного обеспечения. В зависимости от вида сигналов и характеристик источников информации синтезируются структуры и законы управления, адекватные их свойствам, обеспечивающие оптимальное протекание информационных процессов в системах управления. Так, алгоритмы наведения и управления истребителем существенно различаются в режимах полной и неполной информации, в условиях помех, при непрерывной пеленгации, в сплошном и разрывном внешнем информационном поле. Часто с использованием специальной логики и дополнительной фильтрации алгоритмическое обеспечение режимов управления стремятся сделать адаптивными к виду и качеству используемой информации. В-третьих, одной из важнейших функций алгоритмов управления истребителем на боевых режимах является обеспечение применения авиационного комплекса и расширение его боевых возможностей. В таких задачах речь идет о целевой среде работы системы управления. В целевой среде разрабатываются алгоритмы наведения и атаки целей, формируются траектории вывода в информационное соприкосновение и в наивыгоднейшие условия для применения оружия, синтезируются тактически гибкие структуры. В этой среде алгоритмы оцениваются по критериям боевых возможностей, в том числе, например, характеристикам зон пуска ракет, зон возможных атак, зон возможного перехвата. К частным показателям в целевой среде относятся величины времени сближения с зоной пуска и пребывания истребителя в этой зоне, ру-бежно-временные характеристики перехвата и др. Функционирование алгоритмов в целевой среде часто приводит к предельным режимам, выходу на ограничения по пилотажным и траекторным параметрам полета, использованию максимальных возможностей самолета как носителя оружия. В-четвертых, алгоритмы управления, как составная часть математического обеспечения БЦВМ, непосредственно зависят от возможностей и способов реализации в бортовой аппаратуре. В этом случае следует рассматривать аппаратную среду функционирования алгоритмов и систем управления. Некоторые технические характеристики отечественных цифровых вычислителей (БЦВМ), используемых для реализации различных алгоритмов управления, представлены в таблице 6.5.2. Рассматриваемая среда характеризуется несколькими сторонами. Методы и законы управления в значительной степени определяются возможностями бортовых вычислителей; квантование сигналов по уровню и времени требует специальных приемов и дополнительной обработки. Аппаратная среда и возможности цифровой реализации задают определенные требования к алгоритмизации режимов применения и пилотирования. С другой стороны, система управления входит в состав комплекса бортового оборудования, поэтому на алгоритмическое обеспечение все большее влияние оказывает степень интеграции борта. Наиболее совершенные алгоритмы боевого управления создаются при разработке интегрированной системы управления вооружением и полетом. Применение БЦВМ в составе систем управления истребителя открывает ряд новых возможностей, в том числе:
• выбор необходимой точности вычислений;
• использование разнообразных методов управления и фильтрации;
• мультиплексирование при передаче информации;
• гибкое изменение формата данных при взаимодействии с экипажем и другими системами, что позволяет использовать электронные дисплеи;
• применение больших и обновляемых массивов информации в цифровой форме (например, полетные руководства и карты местности);
• автоматическое обнаружение и диагностика отказов;
• облегчение разработки и модификации систем управления, алгоритмов и программного обеспечения.
В-пятых, система управления пилотируемым самолетом в общем случае есть человеко-машинная система; центральным звеном в контуре управления является летчик. Алгоритмическое обеспечение призвано обеспечить эффективную организацию деятельности летчика, ибо от этого зависят многие показатели работы боевого авиационного комплекса. Следовательно, в этих задачах проявляется эргатическая среда функционирования алгоритмов управления. Среда эта характеризуется малой степенью проработанности и формализации, так как в авиационной психологии и эргономике недостаточно развиты методы аналитического описания деятельности летчика и адекватные модели его работы на этапах боевого применения. В связи с этим основной объем работы по эргономическому синтезу и оценке системы управления приходится на различного уровня стенды и комплексы полунатурного моделирования с по возможности полной имитацией кабины, узла управления и индикационного поля. В эргатической среде производится выбор алгоритмов, обеспечивающих наилучшие формы взаимодействия летчика с аппаратурой и наилучшую степень автоматизации пилотирования на конкретных этапах боевого полета. Эргатическая среда проявляется также при разработке боевых алгоритмов в необходимости обеспечения безопасности выполнения пилотируемым летательным аппаратом боевых маневров. Требования этой среды привели к тому, что в составе алгоритмов управления современных истребителей-перехватчиков действуют специальные законы и зависимости, обеспечивающие выдерживание ограничений по скорости и высоте полета, скорости снижения, выполнение безопасных пролетов относительно взаимодействующего самолета или пораженной цели и др. При разработке перспективных комплексов перехвата возникает большое число новых задач и режимов боевого применения, позволяющих увеличить эффективность всего процесса перехвата. Предпосылками решения новых задач явились возрастание возможностей вычислительной техники и информационно-измерительного обеспечения, а также развитие методов оптимального управления. Существенное значение приобретает комплексирование систем и алгоритмов в единую бортовую систему управления, создаваемую с использованием системного подхода и четкой постановкой задач на каждом уровне иерархии управления. Методической основой алгоритмизации режимов управления истребителем является удовлетворение трем группам требований: улучшению динамических показателей, повышению боевых возможностей комплекса, обеспечению безопасности. Именно такой подход позволяет разработать и внедрить новые решения и сформировать высокоэффективные алгоритмы управления.