«В.С. Моисеев ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ МОНОГРАФИЯ Казань 2013 УДК 629.7:629:195 ББК 39.56 М 74 Редактор серии: В.С. Моисеев – заслуженный деятель науки и техники Республики ...»

Светлой памяти моих родителей Марии Ивановны и

Сергея Дмитриевича посвящается

В.С. Моисеев

ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ

БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

МОНОГРАФИЯ

Казань

2013

УДК 629.7:629:195

ББК 39.56

М 74

Редактор серии:

В.С. Моисеев – заслуженный деятель науки и техники Республики Татарстан, д-р техн. наук, профессор.

Моисеев В.С.

М 74 Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами: монография. – Казань: ГБУ «Республиканский центр мониторинга качества образования» (Серия «Современная прикладная математика и информатика»). – 768 с.

ISBN 978-5-906158-53- Предлагаются определения и классификация существующих и перспективных образцов беспилотной авиационной техники. Рассматриваются основные вопросы организации ее применения. Формулируются базовые положения прикладной теории управления БЛА, ориентированной на ее использование персоналом беспилотных авиационных комплексов различного назначения. Приводятся краткие сведения по математическим основам этой теории и численным методам, применяемым при формировании программного управления БЛА. Предлагаются общие и частные модели управляемого движения БЛА самолетной и вертолетной конструктивных схем.

Для формирования управления БЛА используются методы теории обратных задач динамики управляемого движения, вариационного исчисления и оптимального управления.

Рассматриваются основные подходы к реализации перспективных задач интеллектуального управления БЛА.

Книга предназначена для специалистов по эксплуатации БЛА, разработчиков и испытателей БЛА, а также для студентов, курсантов, аспирантов и докторантов, специализирующихся по направлениям, связанным с управлением различными видами беспилотной авиационной техники.

Моисеев В.С., ISBN 978-5-906158-53-

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие редактора серии......................... Введение........................................... Глава 1. Основные положения прикладной теории управления беспилотными летательными аппаратами.... 1.1. Состав и классификация беспилотных ЛА........ 1.2. Структура современных беспилотных авиационных комплексов............................... 1.3. Организация функционирования беспилотных авиационных комплексов....................... 1.4. Жизненный цикл БЛА и основные задачи его реализации......................................... 1.5. Общая характеристика прикладной теории управления БЛА................................... Глава 2. Математические основы прикладной теории управления БЛА.................................... 2.1. Краткая характеристика теории обыкновенных дифференциальных уравнений.................. 2.2. Безусловные и условные экстремумы функций многих переменных........................... 2.3. Элементарная теория обратных задач управления динамическими объектами...................... 2.4. Основы вариационного исчисления............. 2.4.1. Безусловные вариационные задачи.......... 2.4.2. Вариационные задачи с подвижными границами...................................... 2.4.3. Вариационные задачи с запрещенными областями...................................... 2.4.4. Вариационные задачи на условный экстремум 2.4.5. Вариационные задачи в параметрической форме..................................... 2.5. Основы теории оптимального управления динамическими объектами............................ 2.5.1. Основные понятия теории................. 2.5.2. Принцип максимума Л.С. Понтрягина....... 2.5.3. Пример использования принципа максимума Л.С. Понтрягина............................ Глава 3. Общие и специальные численные методы прикладной теории управления БЛА................ 3.1. Численные методы решения систем дифференциальных уравнений............................. 3.1.1. Метод Эйлера........................... 3.1.2. Метод Рунге-Кутта....................... 3.2. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений.................................... 3.2.1. Метод простых итераций.................. 3.2.2. Метод Зейделя........................... 3.3. Методы решения нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений.................... 3.4. Методы решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений............. 3.5. Методы решения систем нелинейных параметрических уравнений............................. 3.6. Методы решения краевых задач................ 3.7. Методы решения задач вариационного исчисления. 3.8. Градиентные методы решения задач оптимального управления................................... Глава 4. Ветровые возмущения траекторий движения БЛА. 5.2. Модели управляемых полетов БЛА в вертикальной 5.4. Модели управляемых установившихся режимов Глава 6. Модели управляемого полета БЛА одновинтовой 6.2. Общая математическая модель управляемого полета беспилотного вертолета...................... 6.3. Частные модели управляемых полетов беспилотного вертолета................................ 7.3. Моделирование процессов аэродромного взлета и Глава 8. Траекторные методы формирования управления 8.1. Управление полетами БЛА по требуемым плоским 8.3.1. Управление БЛА оптико-электронной видовой разведки и мониторинга наземных (надводных) 8.5.3. Адаптивное управление БЛА-истребителем 9.2. Управление полетами БЛА в плоских неодносвязных областях................................. 9.2.1. Управление полетом БЛА с максимальной 9.2.2. Управление БЛА при облете зоны действия 9.3. Управление полетами БЛА по замкнутой траектории с максимальной площадью охвата наземной поверхности.................................... 9.3.3. Учет основных характеристик целевой аппаратуры БЛА оптико-электронной разведки и мониторинга................................. 9.4. Управление БЛА при перелете между заданными 9.7. Управление разбегом БЛА по взлетно-посадочной 9.8. Оптимизация установившихся режимов полета 10.4. Основные вопросы реализации бортовой экспертной системы подсистемы «Полет» интегрированной В серии книг «Современная прикладная математика и информатика», ориентированных на специалистов в этих областях, а также на студентов, аспирантов и докторантов соответствующих специальностей, выходит очередная монография, посвящённая математическим моделям и методам решения основных задач прикладной теории управления беспилотными летательными аппаратами. Полученные в ней результаты могут быть использованы при разработке инженерных методик и прикладных информационных технологий создания и применения беспилотных авиационных комплексов различного назначения.

В течение 2004-2013 г.г. в этой серии опубликованы следующие работы:

1. Моисеев В.С., Козар А.Н. Основы теории применения управляемых артиллерийских снарядов. Казань: Изд-во КВАКУ, 2004.

Рассмотрена теория применения управляемых артиллерийских снарядов, даны модели и методы их оптимального планирования. Особое внимание уделяется методам преодоления управляемыми артиллерийскими снарядами зон активной защиты целей и планированию одновременного удара по цели несколькими управляемыми артиллерийскими снарядами.

Книга может быть полезна как для слушателей и курсантов высших военных учебных заведений, так и для работников научно-исследовательских институтов.

2. Медведев В.И. Программирование на С++, C++.NET и C#.

Казань: Мастер Лайн, 2005.

Излагаются основные понятия и методика разработки объектноориентированных программ на языках С++, C++.NET и C# с использованием библиотеки классов Framework.NET платформы. Особое внимание уделено разработке Windows приложений из потоковых объектов и компонентов.

Монография предназначена для студентов вузов по направлению вычислительная техника и информатика, а также для всех, владеющих языком программирования С и желающих освоить.NET технологию программирования.

3. Зайдуллин С.С., Моисеев В.С. Математические модели и методы управления территориально распределёнными системами.

Казань: Мастер Лайн, 2005.

Рассмотрены теоретические основы управления сложными территориально распределёнными организационно-техническими системами. Решение задач анализа, синтеза и управления такими системами выполняется на основе специальных прикладных информационных технологий.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки территориально распределённых систем.

4. Медведев В.И. Разработка компонентов и контейнеров на C++.NET и C#.. Казань: Мастер Лайн, 2005.

Углублённо рассмотрено построение компонентов, контейнеров и объединение компонентов в контейнере с предоставлением сервисных услуг на базе библиотеки классов.NET Framework.

Монография имеет практическую направленность и предназначена для всех, владеющих объектно-ориентированным программированием на языках C++.NET и C# и желающих освоить программирование.NET компонентов.

5. Рахматуллин А.И., Моисеев В.С. Математические модели и методы оптимизации нестационарных систем обслуживания: монография. – Казань: РИЦ «Щкола», 2006.

Рассмотрены теоретические основы оптимизации и адаптивного управления процессами обслуживания в сложных информационных и организационно-технических системах. Применение разработанных математических моделей, методов и алгоритмов иллюстрируется на практических задачах оптимизации и адаптивного управления функционированием систем обслуживания.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами исследования и оптимизации нестационарных процессов в сложных системах различного назначения.

6. Медведев В.И..NET компоненты, контейнеры и удаленные объекты. Казань: РИЦ «Школа», 2006.

Книга посвящена компонентам – основным программным единицам при построении Windows-приложений в.NET технологии. Кроме компонентов и контейнеров, объединяющих компоненты в коллекции, значительное внимание уделено удалённым объектам и событиям, а также разработке использующих их распределённых приложений.

Для студентов и преподавателей вузов по направлению вычислительной техники и информатики. Представляет интерес для всех, знающих основы языков С++.NET и C# и желающих овладеть технологией создания и использования.NET компонентов для распределённых Windows приложений.

7. Козар А.Н., Борзов Г.Е., Рахматуллин А.И., Сотников С.В.

Информатика ракетных войск и артиллерии. -Казань: «Отечество», 2006.

Работа посвящена применению современных программных оболочек типа Delphy для создания информационных технологий управления действиями ракетных войск и артиллерии тактического звена.

8. Габитов Р.И., Емалетдинова Л.Ю. Модели и методы разработки автоматизированных систем организационного управления:

монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2007. – 120 с., ил.

В монографии рассмотрены теоретические основы проектирования унифицированного программного обеспечения автоматизированных систем организационного управления технологическими процессами деятельности специалистов, а также оптимизационные модели, методы и алгоритмы, обеспечивающие эффективное функционирование проектируемой распределенной системы.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки автоматизированных систем организационного управления.

9. Литвин В.М., Набережнов Г.М., Песошин В.А., Шлеймович М.П. Сжатие данных в системах числового программного управления. монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2007. – 108 с.

Монография предназначена для широкого круга научных и инженерно-технических работников и студентов, занимающихся вопросами проектирования и моделирования систем числового программного управления.

10. Валеев М.Ф., Емалетдинова Л.Ю. Автоматизация организационного управления технологическими процессами налогообложения граждан: монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2007. – 136 с., ил.

В монографии рассмотрены теоретические основы проектирования программного обеспечения автоматизированных систем организационного управления технологическими процессами налогообложения граждан, а также предлагается методика краткосрочного прогнозирования доходов граждан на основе автоматизированного построения моделей временных рядов.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки автоматизированных систем организационного управления.

11. Тутубалин П.И., Моисеев В.С. Вероятностные модели обеспечения информационной безопасности автоматизированных систем обработки информации и управления: монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2008. – 151 с.

В монографии рассмотрены теоретические и практические основы создания максимально информационно безопасных, с точки зрения вероятностных критериев, автоматизированных систем обработки информации и управления, а так же разработаны подходы и методы повышения эффективности использования средств информационной безопасности.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки автоматизированных систем специального назначения.

12. Зиновьев П.А., Мейко А.В., Моисеев В.С. Инженерные методы расчета функциональной надежности и живучести корпоративных информационных систем: монография. Казань: Отечество, 2009. – 256 с.

В монографии рассматриваются состав, структура и характеристики корпоративных информационных систем (КИС), обсуждаются их основные показатели надежности и живучести, формулируется постановка задач оценки функциональной надежности и живучести таких систем. Предлагаются математические модели и инженерные методы расчета этих критически важных показателей функционирования КИС.

Монография предназначена для широкого круга специалистовразработчиков и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, внедрения и эксплуатации информационных систем корпоративного масштаба, а также оптимизацией режимов их функционирования на всех этапах жизненного цикла. Она может быть полезна также студентам старших курсов ВУЗов, бакалаврам, магистрам и аспирантам соответствующих специальностей.

13. Красильников В.Н., Козар А.Н., Моисеев В.С., Красильников О.В. Переносные комплексы автоматизированного управления огнем артиллерии тактического звена: монография. Казань, Отечество, 2009. – 108 с.

В книге проведен анализ и сравнительная оценка отечественных и зарубежных комплексов автоматизированного управления огнем тактического звена управления. Предложена методика построения перспективного переносного комплекса автоматизированного управления огнем. Дан обзор современных средств управления огнем в тактическом звене, в том числе и компонентов двойного назначения. Представлена методика разработки математического, программного, информационного и методического обеспечения переносного комплекса автоматизированного управления огнем. Рассмотрены перспективы включения переносного комплекса в интегрированную АСУ артиллерии тактического звена. Приведено расчетно-экспериментальное обоснование результатов проведенной работы.

Книга может быть полезна как для слушателей и курсантов высших военных учебных заведений, так и для работников научно-исследовательских институтов Министерства обороны Российской Федерации, занимающихся вопросами разработок и применения АСУ.

14. Борзов Г.Е., Козар А.Н., Моисеев В.С. Применение беспилотных разведывательно-корректировочных вертолетов в перспективных комплексах автоматизированного управления огнем артиллерии тактического звена. Научное издание. Казанское высшее военное командное училище (военный институт), 2009. – 148 с.

В монографии проведен анализ существующих и перспективных разведывательно-огневых комплексов (РОК) артиллерии тактического звена. Приведен анализ существующих и перспективных БЛА вертолетного типа. Предложена общая структура, функции и принципы построения на базе АСУ садн перспективного РОК с применением БРКВ.

Описан процесс функционирования РОК. Предложены математические модели и методы разведки, целеуказания и выбора начальных параметров стрельбы управляемых артиллерийских снарядов (УАС) с применением БРКВ. Предложены математические модели и методы управления БРКВ, целеуказания и выбора начальных параметров стрельбы УАС в вертикальной плоскости с использованием БРКВ в режимах «висения», вертикального подъема/снижения и горизонтального полета. Рассмотрены основные принципы, направления и рекомендации по созданию перспективной АСУ садн как среды для применения РОК. Предложена общая ИТ разведки, целеуказания и применения УАС в составе РОК перспективной АСУ садн. Предложена вероятностная оценка эффективности РОК для стрельбы УАС с использованием БРКВ.

Монография может быть использована как для слушателей и курсантов высших военных учебных заведений, так и для работников научно-исследовательских институтов Министерства обороны Российской Федерации, занимающихся вопросами разработок и применения беспилотных летательных аппаратов.

15. Новикова С.В., Роднищев Н.Е. Основы идентификации динамических систем: монография. Казань: РИЦ «Школа», 2009. – 192 с.

В монографии рассмотрены теоретические и практические основы создания эффективных методов и процедур адаптивной коррекции параметрической динамической системы в условиях неоднородности и неопределенности ее параметров при наличии внешних возмущающих факторов. Приводится разработка методов и процедур идентификации и коррекции управляемых стохастических систем с ограничениями на вектор состояния и параметры.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки и доводки автоматизированных технических систем.

16. Альмухаметова А.Ф., Моисеев В.С. Математические модели и методы комплексного управления запасами и спросом в территориально-распределенной торговой корпорации: монография.

Казань: РИЦ «Школа», 2010. – 170с.

В монографии рассмотрена проблема управления основной деятельностью территориально-распределенной торговой корпорации, сформулированы основные задачи комплексного управления запасами и спросом. Разработаны математические модели, методы, алгоритмы и прикладная информационная технология, обеспечивающие решение и реализацию представленных в работе задач.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами математического моделирования процессов оптимального управления запасами и спросом в логистике, а также разработкой и развитием корпоративных информационных систем в крупных торговых корпорациях. Книга может быть полезна студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

17. Моисеев В.С., Гущина Д.С., Моисеев Г.В. Основы теории создания и применения информационных беспилотных авиационных комплексов: монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2010. с., ил.

В монографии рассмотрены основы прикладной теории создания на этапе аналитического проектирования и применения беспилотных авиационных комплексов, решающих задачи информационного обеспечения. Приводится научно-методический аппарат для выбора оптимальных проектных и эксплуатационных параметров таких комплексов.

Монография рассчитана на широкий круг специалистов, связанных с разработкой и эксплуатацией беспилотных авиационных комплексов, а также для студентов и аспирантов, специализирующихся в этой области.

18. Ризаев И.С., Рахал Я. Интеллектуальный анализ данных для поддержки принятия решений: монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2011. - 170с.

Рассматриваются модели и алгоритмы в области интеллектуального анализа данных с использованием технологии Data Mining: классификация, кластеризация, поиск ассоциативных правил, прогнозирование. Методы проектирования хранилищ данных различной архитектуры. Разработка программного комплекса системы поддержки принятия решений.

Монография предназначена для широкого круга научных и инженерно-технических работников, преподавателей и студентов, занимающихся вопросами интеллектуального анализа данных на основе баз и хранилищ данных.

19. Моисеев В.С., Матвеев И.В., Нестерова Л.Е. Модели и методы создания перспективных учебно-тренировочных вертолетов:

монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2011. - 160с., ил.

В монографии рассмотрены теоретические и практические основы создания перспективных учебно-тренировочных вертолетов на базе существующих образцов, разработан научно-методический аппарат выбора оптимального для модернизации вертолета, и решения круга задач его модернизации в учебно-тренировочный вариант применения.

Монография предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся исследованиями в области разработки цифровых систем управления современных пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов вертолетной схемы.

20. Бутузова А.В., Моисеев В.С., Тутубалин П.И. Теоретические основы информатизации службы скорой медицинской помощи: монография. – Казань: РИЦ «Школа», 2011. - 242с., ил.

В монографии изложены результаты оригинальных научных исследований и практические реализации, связанные с актуальной задачей разработки математических моделей и методов информатизации лечебно-профилактических учреждений и защиты персональных данных в них, в частности в работе рассмотрены подходы к информатизации деятельности такой жизненно важной структуры как служба скорой медицинской помощи.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки автоматизированных систем специального назначения.

21. Горбунов Д.А., Моисеев В.С. Основы прикладной теории неявных математических моделей и методов: монография. – Казань: РИЦ, 2012. – 172 с.

В монографии изложены результаты оригинальных научных исследований и практические реализации, связанные с актуальной задачей разработки математических моделей и методов построения и оптимизации неявно заданных функциональных моделей в задачах анализа и синтеза реальных технических систем.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки автоматизированных систем специального назначения.

22. Иванов К.В., Тутубалин П.И. Марковские модели защиты автоматизированных систем управления специального назначения:

монография. – Казань: РЦ МКО, 2012. – 216 с., ил.

В монографии изложены результаты оригинальных научных исследований и практические реализации, связанные с актуальной задачей разработки математических моделей и методов обеспечения информационной безопасности автоматизированных систем управления специального назначения.

В работе рассмотрены подходы по информатизации таких особо важных структур как военные и полевые мобильные автоматизированные системы управления на основе предложенных новых образцов информационного оружия. Анализ защищённости систем, оснащённых новыми образцами информационного оружия, проводится с применением теории вероятностей и марковских процессов.

Монография предназначена для широкого круга инженернотехнических работников, занимающихся вопросами разработки автоматизированных систем специального назначения.

23. Медведев В.И..NET компонентно-ориентированное программирование. – Казань: РИЦ, 2012 – 276 с.: ил Книга посвящена компонентам. Являясь особыми объектами объектно-ориентированного программирования, объекты компонентов обладают дополнительными свойствами и поведением, позволяющими построение из них надежных программ.

Компонентно-ориентированное программирование рассматривает особенности поведения и взаимосвязи компонентов, предлагая общие правила их построения и использования при разработке надежных и безопасных многокомпонентных программ.

В книге излагаются основы программирования.NET компонентов совместно с контейнерами, существенно облегчающих их совместное применение. Уделено внимание базовым интерфейсам и классам компонентов и контейнеров, а также активно используемым компонентам и асинхронными вызовам и событиям, потокам и их синхронизации, освобождению ресурсов, сериализации объектов, удаленным компонентам.

Изложение сопровождается многочисленными примерами законченных консольных программ и Windows приложений на языках объектно-ориентированного программирования С++/CLI и C#.

Книга завершается разработкой распределенных многокомпонентных приложений с объектами компонентов, объединенных в объекте контейнера на сервере и управляемых клиентом через удаленный компонент. Программы поясняются диаграммами языка UML.

Для студентов и преподавателей вузов по направлению вычислительной техники и информатики. Представляет интерес для всех, знакомым с объектно-ориентированным программированием на языках C# и С++/CLI и желающих овладеть основами технологии.NET компонентно-ориентированного программирования.

24. Козар А.Н., Моисеев В.С. Информационные технологии оптимального применения управляемых артиллерийских снарядов:

монография. – РЦ МКО, 2012. – 348 с.

В книге рассмотрена теория применения управляемых артиллерийских снарядов, даны модели и методы их оптимального планирования.

Особое внимание уделяется методам преодоления управляемыми артиллерийскими снарядами зон активной защиты целей и планированию одновременного удара по цели неуправляемыми и управляемыми артиллерийскими снарядами. Излагаются модели и методы организации подсвета целей с беспилотных летательных аппаратов. Сделан обзор опубликованных исследований ряда авторов, работающих в области применения управляемых артиллерийских снарядов. Приводится описание перспективного бортового оборудования управляемых артиллерийских снарядов и рассмотрены информационные технологии и их применения.

Книга может быть полезна как для слушателей и курсантов высших военных учебных заведений, так и для работников научноисследовательских институтов Министерства обороны Российской Федерации, занимающихся вопросами применения управляемых артиллерийских снарядов.

25. Моисеев Г.В., Моисеев В.С. Основы теории создания и применения имитационных беспилотных авиационных комплексов: монография. – Казань: РЦ МКО, 2013. – 207 с., ил.

В монографии рассмотрены основы прикладной теории создания и применения имитационных беспилотных авиационных комплексов.

На основе результатов системного анализа предметной области определены роль и место, особенности проектирования и типовые эпизоды применения комплексов авиационных ложных целей воздушного старта. Рассмотрен типовой состав и функции воздушного пункта управления авиационными ложными целями.

Предложен комплекс математических моделей и методов определения оптимального состава смешанных авиационных группировок, продолжительности их применения, оценки потерь и требуемого количества воздушных пунктов управления. Предложен оригинальный метод формирования законов управления авиационной ложной целью на основе бортовых полетных данных самолета-имитатора.

Приводятся постановки и методы решения основных задач создания авиационных ложных целей, обеспечивающих формирование оптимальных проектных и управленческих решений в процессе их разработки, в том числе при определении проектных параметров системы «самолет-носитель – авиационные ложные цели».

Монография рассчитана на широкий круг специалистов, связанных с разработкой и эксплуатацией беспилотных авиационных комплексов, а также на студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

26. Медведев В.И. Особенности объектно-ориентированного программирования на С++/CLI, C# и Java: 4-e изд., испр. и доп. Казань: РЦ МКО, 2013. 450 c.: ил.

Излагаются основные понятия и методика разработки объектноориентированных программ на языках C++/CLI, C# и Java (J#) с применением пакетов языка Java и библиотеки.NET Framework языков C++/CLI и C#.

Изложение сопровождается многочисленными примерами законченных программ. Программы поясняются диаграммами языка UML.

Особое внимание акцентировано на наиболее сложных для понимания делегатах, событиях уведомлениях, потоках и их синхронизации, преобразовании данных.

Параллельное изложение схожих основных языковых конструкций позволит лучше выявить не только близость и различие языков C++/CLI, C# и Java, но и лучше понять особенности этих языков.

В четвертом издании книги добавлен раздел о данных и их преобразовании, расширены ряд разделов, заменена поэтапно разрабатываемая много объектная программа на более интересную, также содержащую абстрактный класс, множество потоков, событий и уведомлений, наглядно иллюстрирующих особенности написания программ на языках C++/CLI, C# и Java.

Для студентов и преподавателей вузов и специалистов по направлению вычислительной техники и информатики. представляет интерес для всех, знающих язык С и изучающих объектно-ориентированное программирование, а также для тех, кто, овладев языком С++, интересуется особенностями и отличиями программирования на языках C++/CLI, Java и C#.

27. Моисеев Г.В. Методы параллельных вычислений: учебное пособие. Казань: РЦ МКО, 2013. 117 c.

Приводятся принципы построения параллельных вычислительных систем, модели и методы анализа параллельных вычислений, методы оценки коммуникационной трудоемкости параллельных алгоритмов и принципы их разработки.

Предназначено для бакалавров техники и технологии по направлению 230100.62 – «Информатика и вычислительная техника».

28. Гимадеев Р.Г., Моисеев В.С., Арутюнова Н.К. Обратные задачи управления беспилотными летательными аппаратами артиллерийской разведки: монография. – Казань: РЦ МКО, 2013. – 245 с.

На основе результатов системного анализа предметной области определены требования, предъявляемые к беспилотным летательным аппаратам артиллерийской разведки и разработана их классификация.

Предложена структура и функции беспилотных авиационных комплексов ближней, средней и дальней артиллерийской разведки. Рассмотрены вопросы эксплуатации таких комплексов.

Предложены методы расчета характеристик областей обзора наземной поверхности средствами воздушной артиллерийской разведки – бортовыми оптико-электронными системами и радиолокационными станциями. Сформированы типовые траектории полетов беспилотных летательных аппаратов артиллерийской разведки.

Разработаны методы решения обратных задач управления динамическими системами при наличии ограничений на управления и для случаев, когда число управляющих воздействий больше числа фазовых координат объектов.

Эти методы предложено использовать совместно с типовыми траекториями полетов беспилотных летательных аппаратов артиллерийской разведки для формирования программного управления их реализацией.

Приведены примеры решения задач формирования управлений для поиска и обнаружения различных видов объектов артиллерийской разведки.

Монография рассчитана на широкий круг специалистов, связанных с разработкой и эксплуатацией беспилотных авиационных комплексов, а также на студентов (курсантов) и аспирантов (адъюнктов) соответствующих специальностей.

Авторами опубликованных в серии «Современная прикладная математика и информатика» монографий и учебников являются сотрудники кафедр «Прикладная математика и информатика», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», «Компьютерные системы» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), преподаватели Казанского высшего военного командного артиллерийского училища (ныне КВВКУ), ученые Института проблем информатики АН РТ и специалисты ОАО ICL-КПОВС, ОАО ОКБ «Сокол».

Многие из полученных научных и прикладных результатов внедрены в практику работы предприятий и организаций г. Казани и получили положительные оценки военных специалистов, ученых и IT-специалистов РФ. Материалы, опубликованных монографий активно использовались в учебном процессе и научной работе студентами, аспирантами и докторантами КНИТУ-КАИ и других вузов г. Казани.

Редактор серии благодарит руководителей ОАО ICLКПО ВС В.В. Дьячкова и А.В. Артамонова за долголетнее спонсорское содействие в издании книг серии «Современная прикладная математика и информатика».

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БЛА) самолетной и вертолетной схем разрабатываются и производятся в более чем 30 странах мира. Отечественная беспилотная авиационная техника, которая зародилась в 60-70 г.г.

ХХ века переживает в настоящее время кризис своего развития.

Это связано с высоким уровнем аварийности существующих образцов БЛА. Причинами аварийности являются неудовлетворительные характеристики управляемости и устойчивости БЛА, недостатки в их системах управления, линиях передачи информации, недостаточной прочности конструкции БЛА и плохими навыками операторов управления. Это вызвано отсутствием у разнообразных фирм-разработчиков российских БЛА требуемой квалификации, а также нормативно-технической и регламентирующей документации типа «Руководств для конструкторов БЛА» и «Норм летной годности» (НЛГ) БЛА» на разработку и эксплуатацию различных видов и типов БЛА.

На наш взгляд, такая документация должна базироваться, как в пилотируемой авиации, на результатах отсутствующей к настоящему времени теории автоматизированного проектирования, управления и применения БЛА различного назначения.

Эта теория должна обобщить имеющийся более чем 70-летний мировой опыт активного создания и применения БЛА.

Другой причиной высокой аварийности БЛА является тот факт, что до настоящего времени БЛА рассматриваются и эксплуатируются на практике в основном как дистанционно пилотируемые ЛА (ДПЛА). Последнее означает, что основным режимом управления полетом БЛА является ручной радиокомандный режим, реализуемый оператором с мобильного наземного пункта управления, входящего в состав беспилотного авиационного комплекса.

Пренебрежение сложными программными режимами управления полетами БЛА, когда программируются только их прямолинейные траектории движения между поворотными пунктами маршрута, за счет объективных ошибок операторов управления и приводит к их высокой аварийности. К причинам таких ошибок можно отнести сложность точного пилотирования ДПЛА по удаленному изображению местности на экране АРМ оператора, запаздывание и помехи в радиолинии управления, внезапные порывы ветра, усталость операторов и др. Кроме этого, применение БЛА как ДПЛА не позволит по психофизиологическим ограничениям операторов обеспечить применение крупных группировок БЛА, когда каждый оператор должен управлять несколькими находящимися в воздухе БЛА.

Анализ работ, посвященных вопросам управления БЛА, показал, что в практических задачах формирования управления БЛА не используются достаточно разработанные современные методы управления ЛА, такие как методы теории обратных задач динамики управляемых систем, вариационного исчисления и оптимального управления.

Применение этих методов позволяет использовать в практике программирования полетов БЛА траекторный подход вместо использования для этих целей применяемых в настоящее время координатных и координатно-временных графиков движения БЛА.

Такой подход позволяет эксплуатантам БЛА при получении полетного задания выбрать наиболее подходящую под конкретную ситуацию траекторию полета БЛА. При этом будет учитываться, как желание эксплуатантов наиболее эффективно выполнить полученное задание, так и опыт выполнения предыдущих полетов БЛА. После формирования требуемой траектории полета БЛА методами теории обратных задач определяется управление, обеспечивающее движение БЛА по этой траектории. Последнее проверяется путем моделирования полета БЛА при найденном управлении.

Задачи оптимального управления БЛА самолетной и вертолетной схем в существующей литературе практически не рассматриваются, хотя возможностей оптимизации в этой области за счет многообразия образцов БЛА и решаемых ими задач значительно больше, чем в ракетной технике и пилотируемой авиации.

Теория управления различными видами объектов начала развиваться в нашей стране с конца 50-х годов прошлого века.

Наибольшие достижения она получила в 70-х годах при решении в СССР ракетно-космической проблемы.

Следует отметить, что к настоящему времени результаты в области практического использования задач управления различными видами ЛА являются весьма незначительными.

Вследствие широкого распространения БЛА в мировой практике и активного начала этого процесса в РФ теория и практика эффективного управления этим видом ЛА должна получить новый импульс к своему развитию.

При этом необходимо добиться того, чтобы методы этой теории не вызвали неприятие практиками ее результатов, как это было в свое время с теорией оптимального управления ЛА.

Одним из важнейших направлений этого процесса является достаточно простое доведение до сведения эксплуатантов БЛА целей, задач и методов формирования требуемых управлений различными видами и типами БЛА. Важность решения этих вопросов объясняется тем, что именно они должны формулировать, формализовать и решать эти задачи в своей практической деятельности.

Целью данной работы является систематизация существующих и новых подходов к решению практических задач управления БЛА самолетной и вертолетной схем, получивших наибольшее распространение у нас в стане и за рубежом. Материал монографии ориентирован в основном на эксплуатантов БЛА, обладающих вузовскими знаниями в области высшей математики и теоретической механики, а также имеющими первичные знания по аэродинамике, конструкции и динамике полета ЛА.

Прикладная теория управления БЛА подразумевает активное использование в их практической деятельности соответствующих моделей и численных методов формирования управлений, требуемых для выполнения полетных заданий. Поэтому в книге приводится краткий справочный материал по теории дифференциальных уравнений, обратных задач управления, вариационного исчисления и теории оптимального управления.

Кроме этого, излагаются сведения по общим и специальным численным методам решения систем дифференциальных, линейных и нелинейных алгебраических и параметрических уравнений, а также задач вариационного исчисления и оптимального управления.

Предлагаемые в работе упрощенные с точки зрения практического использования математические модели управляемого движения БЛА на различных этапах их полетов и методы формирования требуемых при этом управлений сопровождаются подробными объяснениями их математического содержания со ссылками на соответствующие численные методы, применяемые при их практической реализации.

В заключительной главе монографии рассматривается такое перспективное направление современной теории управления, как интеллектуальное управление БЛА.

Автор благодарит Е.М. Комисарову за предоставленные материалы по общим численным методам, а также Н.К. Арутюнову и Л.Т. Моисееву за большой труд по подготовке рукописи к изданию и выполнению расчетов в приведенных в ней примерах.

Все замечания по материалам, представленным в монографии, будут с благодарностью приняты автором по электронному адресу [email protected].

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ

ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ

ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) являются уникальным, бурно развивающимся во всём мире видом авиационной техники, предназначенным в основном для применения в условиях, когда применение пилотируемых ЛА невозможно либо нецелесообразно [43, 101, 106].

Основными свойствами БЛА самолётного и вертолётного типов, выгодно отличающими их от пилотируемых самолётов и вертолётов, являются:

• более высокая выживаемость БЛА в условиях противодействия средств ПВО противника вследствие их меньшей заметности во всех диапазонах длин радиоволн;

• возможность их взлета практически при любом рельефе местности без проведения подготовительных инженерных работ;

• способность пребывания в высоких степенях готовности практически неограниченное время;

• более короткие сроки и меньшая стоимость обучения операторов наземных пунктов управления БЛА по сравнению с подготовкой экипажей пилотируемых ЛА;

• значительно меньшие стоимость (на один-два порядка в зависимости от целевого предназначения и параметров БЛА) и сроки развёртывания их серийного производства;

• возможность выдачи информации потребителям практически в реальном масштабе времени;

• способность функционировать в условиях высокого радиоактивного, химического и бактериологического заражения воздуха и местности, а также при неблагоприятных метеоусловиях;

В настоящее время БЛА широко используются для ведения воздушной разведки и выдачи данных целеуказания. При этом остро ощущается недостаток данных воздушной разведки, передаваемых в реальном времени при ведении боевых действий в локальных войнах и вооружённых конфликтах.

В ведущих странах мира активно проводятся мероприятия, направленные на дальнейшее повышение эффективности применения ударных ЛА и авиационного вооружения, снижение потерь авиационной техники и личного состава, а также расхода сил и средств на её обслуживание. Одним из направлений работ при решении этой проблемы является создание боевых БЛА, и в первую очередь специализированных БЛА многоразового использования, основным предназначением которых будет обнаружение, идентификация и поражение критичных наземных стационарных и мобильных целей, огневое подавление средств системы ПВО противника, а в отдаленной перспективе – и борьба с воздушными целями. Основными требованиями к таким БЛА являются сравнительно невысокая стоимость производства, простота технического обслуживания и эксплуатации.

На современном этапе развития БЛА зарубежные военные специалисты планируют существенно расширить зону возможного применения БЛА не только для решения задач разведки и наблюдения, но и для поражения наземных и воздушных целей, а также выполнения ряда задач боевого обеспечения.

В частности проводятся эксперименты, связанные с разведкой погоды в районе боевых действий (сбор и передача данных о скорости ветра и атмосферном давлении), для чего применяются БЛА, оборудованные специальной метеорологической аппаратурой. Кроме того, с использованием БЛА изучается возможность выполнения лазерного подсвета наземных целей для применения высокоточного оружия (ВТО) наземного или воздушного базирования. При этом следует заметить, что основным видом БЛА в настоящее время являются БЛА самолетных схем.

Разработкой БЛА вертолётного типа занимаются специалисты практически всех ведущих стран мира. Их основным заказчиком являются различные военные и гражданские специальные службы.

Управление такими БЛА осуществляется в настоящее время по командам оператора или в полуавтоматическом режиме с использованием навигации по опорным точкам.

Главное преимущество беспилотного комплекса с БЛА вертолётного типа состоит в вертикальном взлёте и посадке, значительно упрощающих вопросы эксплуатации с точки зрения применяемого стартово-посадочного оборудования.

Анализ существующей отечественной и зарубежной литературы по БЛА [2, 4, 7, 31, 43, 44, 50, 57, 74, 83, 84, 91, 101, и др.] показывает, что к настоящему времени отсутствует единый общепринятый подход к разработке и применению беспилотной авиационной техники в военной и гражданской областях. Этим, на наш взгляд, вызвано многообразие используемой терминологии, а также понятий и классификаций беспилотных ЛА и комплексов различного назначения.

Для разработки и успешного использования в этих областях беспилотных средств авиационной техники необходима единая терминология и их классификация, отражающие состав, назначение и область применения [106].

На базе такой терминологии, единой классификации и существующих методов описания движения и управления БЛА должны быть разработаны прикладные модели и методы программирования их полетов, пригодные для использования персоналом беспилотных комплексов в его повседневной деятельности. Все эти модели и методы предполагается объединить в рамках прикладной теории управления БЛА различного назначения.

1.1. Состав и классификация беспилотных ЛА Основным системообразующим элементом рассматриваемых авиационных комплексов являются применяемые в их составе беспилотные ЛА.

Беспилотным ЛА (БЛА) будем обозначать ЛА, не имеющий на борту пилота, использующий силу тяги двигателей и аэродинамические силы для многократных полетов в атмосфере, имеющий целевую нагрузку, определяющую его назначение, и осуществляющий полет как по заранее заданной программе, так и при необходимости с использованием дистанционного (радиокомандного) управления [1].

Это определение включает в себя существующие в настоящее время понятия БПЛА, ДПЛА и др. Кроме этого, оно отделяет этот вид ЛА от управляемых (крылатых) ракет и автоматических космических аппаратов, для обозначения которых в нашей стране была принята аббревиатура «БЛА» [2, 4, 5, 7, 15].

В настоящее время резко возрастает роль программного управления БЛА. Это связано с общемировой тенденцией увеличения уровня автономности БЛА [43] при решении поставленных целевых задач, особенно в составе находящихся в воздухе группировок БЛА.

Преимущественное использование программного управления БЛА дополнительно объясняется необходимостью разгрузки операторов, позволяющей им управлять несколькими находящимися в воздухе аппаратами, что повышает эффективность и оперативность группового решения целевых задач.

Типовой состав БЛА [1] представлен на Рис. 1.1.

Основным компонентом комплекса бортового оборудования БЛА является система автоматического управления (САУ).

В ее составе выделяются подсистемы директрного (траекторного) управления и стабилизации параметров полета БЛА.

Система сбора телеметрической аппаратура информации Первая подсистема предназначена для реализации программного управления БЛА с помощью исполнительных механизмов двигателя и планера. Назначением второй важнейшей для БЛА подсистемы САУ, называемой системой стабилизации (автопилотом), является выработка управляющих воздействий на эти механизмы, ликвидирующих отклонения БЛА от программной траектории и недопустимые с точки зрения его устойчивости и управляемости угловые вращения БЛА. Навигационная аппаратура современных БЛА в основном реализуется с использованием приемников спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС [49]. Эти системы выдают текущие координаты и составляющие скорости БЛА в геоцентрических прямоугольных системах координат ПЗ-90.02 (ГЛОНАСС) и WGS-84 (GPS). В существующих образцах спутниковой навигационной аппаратуры БЛА имеется возможность настройки на тип координат (геоцентрические или геодезические) и на используемую систему координат (WGS-84, ПЗ-90, ПЗ-90.02, СК-42, СК-95).

Отметим, что для некоторых БЛА система сбора и передачи телеметрической информации может отсутствовать.

Приведём классификацию БЛА по основным конструкционным и функциональным признакам.

По конструкционным признакам существующие и перспективные БЛА разбиваются на следующие виды:

1. БЛА самолётных схем (СС);

2. БЛА вертолётных схем (ВС).

В составе БЛА СС в настоящее время имеются образцы с компоновками типов классической схемы, схемы «утка», схемы «бесхвостка» и схемы «летающее крыло» [46].

Вертолетные БЛА в настоящее время представляются образцами традиционных одно- и двухвинтовых схем [47].

Большинство беспилотных вертолётов имеют одновинтовую схему. Это объясняется сравнительной простотой конструкции и более благоприятными аэродинамическими характеристиками изолированного несущего винта. Основные недостатки вертолёта одновинтовой схемы – непроизводительные затраты мощности силовой установки на привод рулевого винта, а также необходимость хвостовой и концевой балок и агрегатов хвостовой трансмиссии.

У беспилотных вертолётов двухвинтовой схемы, например Ка-137с реактивные моменты несущих винтов взаимно уравновешиваются благодаря вращению винтов в противоположные стороны, а мощность силовой установки используется в основном для создания подъёмной и движущей сил. В этом состоит главное преимущество двухвинтового вертолёта перед одновинтовым. К основным недостаткам этой схемы можно отнести неблагоприятное взаимное аэродинамическое влияние несущих винтов, достаточно сложную конструктивную синхронизацию их вращения и высокую трудоемкость изготовления малогабаритного автомата перекоса.

Преимуществами БЛА вертолётного типа являются [31]:

• более высокая мобильность;

• быстрое развёртывание и приведение в готовность к полетам;

• отсутствие дополнительного оборудования при старте и посадке;

• наличие режима «висения», который позволяет более достоверно определять оперативную обстановку;

• возможность посадки в режиме авторотации при отказе двигателя БЛА;

• возможность оперативного взлёта и старта, практически из любой точки местности.

Отметим, что в мировой практике значительно меньшее распространение получили БЛА ВС с соосными винтами.

БЛА нетрадиционных схем в настоящее время находятся в основном на стадии экспериментальных разработок и в данной работе не рассматриваются.

При этом по способам взлета и посадки БЛА СС делятся на БЛА, совершающие эти действия «по-самолетному» (с помощью шасси) и БЛА, стартующие с помощью специальных устройств (пусковая установка, «жгут», «с руки» и т.п.) и приземляющиеся с помощью парашютов.

По типу использования в составе БЛА силовых установок выделяются:

• БЛА с электродвигателем (ЭД);

• БЛА с поршневым двигателем (ПД);

• БЛА с воздушно-реактивным двигателем (ВРД).

Описание этих видов силовых установок приведено в работе [102].

По возможностям решения целевых задач БЛА подразделяются на следующие типы [1]:

• БЛА ближнего действия (БЛА БД) с длительностью полета 1-2 часа;

• БЛА среднего действия (БЛА СД) с полетным временем 6-12 часов;

• БЛА дальнего действия (БЛА ДД) с продолжительностью полетов 24-48 часов.

Первый тип БЛА составляют БЛА СС и ВС, оснащённые ЭД и ПД. При этом БЛА СС осуществляют старт «с руки» или «жгута» и парашютную посадку в заданном районе.

Для БЛА СД, осуществляющих более длительные полёты, применяются БЛА СС и ВС, оснащённые ПД. Самолётные БЛА этого типа производят взлет и посадку с помощью пусковых установок и парашютов, а также шасси с использованием специально подготовленных площадок. Вертолётные БЛА СД изза малой крейсерской скорости и возможности «зависания» используются в основном для разведки и подсвета целей при стрельбе ВТО.

В состав БЛА ДД обычно входят БЛА СС, оснащённые ПД и ВРД, осуществляющие взлет и посадку с помощью шасси.

По дополнительной классификации конкретный образец БЛА можно отнести [1]:

а) по взлётной массе – к сверхлёгким (до 5 кг), лёгким (до 200 кг), средним (до 1000 кг) и тяжелым (свыше 1000 кг) БЛА;

б) по продолжительности полёта – к малой (до 1 ч.), средней (до 10 ч.) и большой (свыше 10 ч.) длительности нахождения БЛА в воздухе;

в) по высоте полёта – к низковысотным (до 1000 м), средневысотным (до 10000 м) и высотным (до 15000-20000 м) БЛА.

По скорости полета практически все существующие БЛА можно отнести к дозвуковым ЛА с числом Маха М < 1. Вместе с тем, в мировой практике ведутся исследования и разработки по созданию сверхзвуковых и гиперзвуковых БЛА.

Конкретизируя классификацию БЛА по функциональному назначению, приведенную в работе [1], задачи прикладной теории управления будем рассматривать применительно к их видам и типам, представленным на Рис. 1.2.

Беспилотные летательные аппараты и мониторинга испытательные авиациБЛА радиоонные ложные БЛАэлектронной ретрансляторы Назначение, состав и функции наиболее распространенных в настоящее время информационных БЛА (ИнБЛА), кроме БЛА радиотехнической разведки и БЛА-ретрансляторов, описаны в монографии [1]. Имитационные БЛА, воспроизводящие летнотехнические и отражательные характеристики реальных воздушных целей, представлены в предлагаемой классификации как авиационные ложные цели (АЛЦ) [89].

При этом учебно-испытательные АЛЦ (УИАЛЦ), применяемые для обучения персонала ПВО и испытаний новых образцов средств борьбы с воздушными целями, должны имитировать образцы зарубежных ЛА, а боевые АЛЦ, используемые в операциях ВВС, – образцы отечественных самолетов и вертолетов.

Относительно новым, но бурно развивающимся видом беспилотной авиационной техники являются боевые БЛА. Обобщая имеющийся в этой области опыт и перспективы их развития [43-45 и др.], предлагается выделить в составе боевых БЛА следующие типы:

• Ударные БЛА, предназначенные для борьбы с наземными целями с использованием авиационных средств поражения;

• БЛА радиоэлектронной борьбы (БЛА-РЭБ), применяемые для вывода из строя наземных и воздушных средств связи и управления противника;

• БЛА-истребители (БЛА-И) для борьбы с беспилотными и пилотируемыми ЛА;

• Вспомогательные БЛА, предназначенные для выполнения определенных функций по обеспечению боевых действий подразделений сухопутных войск.

Отметим, что БЛА гражданского назначения (БЛА-ГН) в настоящее время находится в стадии становления [1, 50].

К основным задачам таких БЛА предлагается относить [1]:

1) мониторинг (контроль) подстилающей поверхности, атмосферы, объектов инфраструктуры и других объектов;

2) ретрансляцию радиосигналов;

3) доставку и сброс грузов.

Областями возможного применения БЛА-ГН являются [50]:

а) топливно-энергетический комплекс (контроль состояния нефте- и газопроводов, линий электропередач и др.), б) службы ликвидации чрезвычайных ситуаций (мониторинг техногенных и природных катастроф, обеспечение спасательных операций и др.), в) службы безопасности (контроль нарушения границ объектов, поиск нарушителей и т.п.), г) судоходство (поиск и обнаружение судов, терпящих бедствие, судов-нарушителей, контроль границ и правил рыболовства и др.), д) сельское хозяйство (наблюдение за состоянием земель и определение характеристик почв, распыление удобрений и ядохимикатов и т.д.), е) океанология (мониторинг воздушной и водной сред, ледовой обстановки и др.), ж) метеорология (контроль гидрометеообстановки, экологический мониторинг и т.п.), з) геологоразведка (поиск полезных ископаемых в труднодоступных районах, подповерхностное зондирование Земли и др.).

Из приведенного перечня задач гражданских БЛА видно, что в основном они являются частными случаями более широкого класса задач, решаемых БЛА военного назначения, для которых в основном предназначена предлагаемая прикладная теория управления БЛА.

1.2. Структура современных беспилотных Введём следующее определение, которое должно быть использовано в теории разработки и применения беспилотных авиационных комплексов различного назначения.

Беспилотным авиационным комплексом (БАК) будем называть эргатическую (человеко-машинную) систему, включающую в себя определённое число БЛА, мобильные наземные пункты управления, получения, обработки и передачи целевой информации, технические средства взлета (старта) и посадки БЛА, их ремонта и технического обслуживания и персонал, обеспечивающий функционирование комплекса [1].

Отметим, что термин «БАК» в отличие от используемых в настоящее время понятия «беспилотная авиационная система»

и «комплексы с БЛА» является общепринятым в ВВС и широко используется в практической деятельности ведущих отечественных предприятий – разработчиков БЛА.

Типовой состав БАК [1] приведен на Рис.1.3.

Функциональные Обеспечивающие Персонал Стартовые и посадочные Мобильный управления Как правило, современные БАК включают в себя в составе соответствующих автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала аппаратно-программные средства для разработки программ полётов БЛА, предполетного, полётного и послеполетного контроля их технического состояния, радиокомандного управления выполнением полётных заданий, а также для сбора, обработки и передачи потребителям получаемой бортовой информации. Функционирование БАК осуществляется с помощью расчётов комплекса, приведенных на Рис. 1.3.

Непосредственное управление функционированием БАК осуществляет его командир, которому подчиняются командиры расчетов мобильных наземных пунктов управления (МНПУ), стартовых и обслуживающих расчетов комплекса.

Подготовкой и выполнением полетных заданий занимаются расчеты МНПУ, состав которых представлен на Рис. 1.4.

Операторы Операторы Операторы Математик – управления целевой средств свя- системный В зависимости от числа БЛА, одновременно выполняющих полетные задания и реализованных в составе МНПУ средств автоматизации деятельности его персонала, в его работе принимают участие от одного до нескольких операторов первых двух категорий.

По сравнению с существующим составом персонала МНПУ БЛА новым его субъектом является «математик – системный программист», на которого возлагаются следующие функции:

1. Программирование совместно с командиром расчета МНПУ траекторий полетов БЛА, применяемых в конкретной операции.

2. Дистанционное сопровождение и администрирование программного обеспечения АРМ персонала БАК.

3. Обеспечение информационной безопасности функционирования БАК.

При выполнении основной первой функции этот член расчета МНПУ должен применять в конкретной обстановке методы прикладной теории управления БЛА.

Для этих целей используется функциональное программное обеспечение его АРМ, в состав которого включен пакет программ численных методов, приведенных в Главе 3.

В состав МНПУ БЛА БД входят командир расчета, выполняющий функции операторов целевой нагрузки, управления и математика-программиста; оператор-радиомеханик; техник по обслуживанию БЛА.

Обеспечивающие средства БАК предназначены для подготовки БЛА к полёту, обслуживания БЛА после полёта, проведения текущих регламентных и ремонтных работ, а также для хранения средств комплекса. Эта группа средств обслуживается техническими расчётами БАК. Выдвижение всех БАК комплексов в назначенные места их дислокации осуществляется с использованием специальных транспортных средств на базе автомобильных шасси повышенной проходимости. При этом некоторые БАК БД могут транспортироваться в переносном виде.

Состав видов БАК, основанный на приведенной выше классификации БЛА, представлен на Рис.1.5.

Более подробная классификация БАК приведена в работе [1].

В связи с тем, что вместо общепринятого понятия «воздушная мишень» [101] вводится более общее понятие «авиационная ложная цель» [89], приведем более подробные определения имитационных БАК и классификацию АЛЦ.

Первыми представителями имитационных БЛА являются воздушные мишени, достаточно активное применение которых было начато в 40-х годах прошлого века [101]. Такие мишени использовались для обучения персонала средств ПВО и летчиков ВВС и представляли собой самолеты, которые выводились на определенный маршрут полета, после чего экипажи покидали их, предварительно задав автопилоту требуемые значения полетных параметров.

Беспилотные авиационные комплексы (БАК)

БАК БД БАК СД

БАК БАК

В 60-70 годы появились первые образцы беспилотных воздушных мишеней, осуществляющих старт с наземных пусковых установок и парашютную посадку в заданном районе приземления [101]. Следует отметить, что такая практика применения БЛА-мишеней в основном сохраняется в ведущих странах мира до настоящего времени.

В Разд. 1.1 такие БЛА были отнесены к классу имитационных БЛА (ИмБЛА), целевой задачей которых является воспроизведение летно-технических характеристик (ЛТХ) и информационных признаков воздушных целей (ВЦ) при решении отмеченных выше задач, а также при испытаниях новых и модернизируемых образцов средств ПВО и боевых ЛА [89].

Эту целевую задачу предлагается распространить на применение ИмБЛА в боевых операциях ВВС, в которых они выступают для противника в роли авиационных ложных целей.

Отсюда следует что понятие «авиационная ложная цель» является более общим, чем понятие воздушная мишень».

Анализ доступных источников показал отсутствие четкого определения, классификации, теории создания и тактики применения такого класса БАК, как имитационные БАК.

Под имитационным БАК (ИмБАК) будем понимать комплекс с БЛА, имитирующими летно-технические характеристики (ЛТХ) и информационные признаки (отражательные и излучательные характеристики) ВЦ для решения учебных и боевых задач ВВС и ПВО, а также для испытаний перспективных образцов вооружения и военной техники [89].

В связи с использованием введенного понятия «авиационная ложная цель» конкретизируем определения и функции видов ИмБАК.

Под боевыми ИмБАК понимаются БАК, системообразующими элементами которого являются АЛЦ, разработанные для применения в боевых операциях ВВС и предназначенные для создания на экранах радиолокаторов контуров целераспределения противника информации, подобной информации от отечественных ЛА. Этот вид ИмБАК предназначен для решения следующих основных задач:

• вскрытие системы ПВО противника;

• усложнение воздушной обстановки и отвлечение на АЛЦ активных средств ПВО;

• провоцирование и истощение средств поражения системы ПВО противника;

• размножение боевых порядков ЛА в зоне действия ПВО противника;

• имитация действий ЛА на ложных направлениях.

Учебно-испытательные ИмБАК представляют собой комплексы, системообразующими элементами которых являются АЛЦ, предназначенные для имитации отдельных или комплексных характеристик зарубежных ЛА, применяющиеся индивидуально или в составе мишенной обстановки при боевой подготовке личного состава ПВО и ВВС, а также при отработках и испытаниях разрабатываемых и модифицируемых образцов вооружений и военной техники (ВВТ), предназначенных для борьбы с ВЦ.

Боевые и учебно-испытательные ИмБАК имеют значительное техническое и функциональное сходство, однако обладают рядом существенных отличительных особенностей, влияющих на все этапы их жизненного цикла и позволяющих рассматривать их как два различных подкласса ИмБАК.

Основными общими чертами этих БАК являются их назначение (имитация ЛТХ и информационных признаков реальных ВЦ), общие основные положения методики проектирования и способы эксплуатации комплексов.

Основные отличительные особенности учебно-испытательных и боевых ИмБАК представлены в сравнительной табл. 1.1.

Учебно-испытательные Полигонное применение ком- Боевое применение комплексов в Возможна частичная имитация Максимально возможная степень Допустимо снижение эффек- Недопустимо снижение эффективности применения за счет тивности применения за счет снижения стоимости АЛЦ. снижения стоимости АЛЦ.

Менее жесткие требования к Полноценные требования к комтехнологическому совершенст- плексу как к образцу ВВТ.

ву, резервированию систем, надежности и др.

Более жесткие требования к Менее жесткие требования к безопасности полетов, точности безопасности применения, воздвижения по маршруту, сопро- можность автономного полета без вождения АЛЦ по радиолинии, радиолинии, самоуничтожения в нештатной парашютной посад- случае нештатной ситуации и др.

6 Предпочтительно многоразовое Возможно использования АЛЦ в применение АЛЦ с возможно- качестве одноразовых расходуестью спасения после выполне- мых средств ВВТ.

ния задания 7 В основном комплексы назем- В большинстве комплексы возного базирования и старта душного старта, с дополнительными требованиями к минимальным массогабаритным характеристикам, наличию воздушного В практике применения отечественных и зарубежных ВВС кроме АЛЦ получили распространение такие виды ложных целей, предназначенных для защиты ЛА, как выбрасываемые ложные тепловые цели (ИК-ловушки), ложные радиолокационные цели (дипольные отражатели), имитаторы постановки помех, активные буксируемые радиолокационные ловушки, комбинированные ложные цели (плазменные образования).

В связи с тем, что эти виды ложных целей не решают все задачи, стоящие перед боевыми и учебно-испытательными ИмБАК, будем рассматривать как наиболее перспективные средства комплексы с АЛЦ на базе БЛА.

Под авиационной ложной целью будем понимать БЛА с ЛТХ, воспроизводящими соответствующие летные характеристики ВЦ, целевая нагрузка которого состоит из радиолокационных и тепловых имитаторов воспроизводимого ЛА. Кроме этого в состав целевой нагрузки учебно-испытательных АЛЦ включается аппаратура измерения промахов действующих против них боеприпасов.

В дополнение к приведенной на Рис. 1.2 классификации БЛА предлагается следующая классификация АЛЦ, представленная на Рис. 1.6.

Дозвуковые АЛЦ

АЛЦ АЛЦ

АЛЦ воздушного старта По воспроизводимым ЛТХ и информационным признакам классов ЛА выделяются стратегические, оперативно-тактические и тактические АЛЦ.

В зависимости от типа платформы построения этот вид БЛА предлагается подразделять на следующие типы:

1. АЛЦ-аналоги;

2. АЛЦ-имитаторы.

Первый тип АЛЦ формируется путем переоборудования в беспилотные образцы выработавших эксплуатационный ресурс и выведенных за штат ЛА. Такой тип АЛЦ как правило имитируют собственные информационные признаки, но при установке дополнительной целевой аппаратуры способны имитировать информационные признаки других ЛА. Преимуществом АЛЦаналогов является практически полное соответствие ЛТХ и информационных признаков реальных и ложных целей. Основными недостатками АЛЦ-аналогов являются высокая стоимость их эксплуатации и ограниченное количество выводимых за штат ЛА. Примерами АЛЦ-аналогов являются мишени ВМ М-21, построенная путем переоборудования самолета Миг-21, и ВМ МАпостроенная на базе противокорабельной ракеты Х-31.

Второй тип АЛЦ представляют собой специально разработанные БЛА, с соответствующими имитируемым целям ЛТХ и оснащенными целевой аппаратурой имитации отражательных и излучательных характеристик воспроизводимых ЛА. Преимуществами АЛЦ-имитаторов перед АЛЦ-аналогами являются относительно низкая стоимость разработки и эксплуатации, возможность воздушного старта с самолетов-носителей и простота в перенастройке имитируемых параметров целей. Основным недостатком такого типа АЛЦ является сложность в достижении требуемого уровня имитации ЛТХ и информационных признаков реальных ВЦ.

В зависимости от типа аэродинамической схемы АЛЦ подразделяются на АЛЦ самолетной, ракетной и вертолетной схемы.

АЛЦ самолетной схемы используют аэродинамические плоскости для создания подъемной силы и управления, в качестве маршевого двигателя применяются, как правило, воздушнореактивные двигатели. Данный тип АЛЦ отличается сравнительно большой продолжительностью полета (до нескольких десятков минут) и маневренными характеристиками, соответствующими пилотируемым самолетам (нормальная перегрузка до 7g). Такие АЛЦ применяются для имитации самолетов тактической, армейской, оперативно-тактической, стратегической, дальней и военно-транспортной авиации, а также крылатых ракет.

В АЛЦ ракетной схемы управление осуществляется с помощью воздушных Х-образных рулей или газовых рулей двигателя. Для создания тяги используются жидкостные или твердотопливные ракетные двигатели и комбинированные силовые установки. За счет этого ракетные АЛЦ имеют небольшое время полета (до нескольких минут) и высокие скоростные и маневренные характеристики (перегрузки до 47g). В настоящее время АЛЦ ракетной схемы применяются для имитации зенитных, противокорабельных и баллистических ракет, а также сверхзвуковых ЛА.

АЛЦ вертолетной схемы предназначены для имитации вертолетов армейской авиации и малоскоростных БЛА. В настоящее время данный тип АЛЦ отсутствует в мировой практике, однако на необходимость его создания указывает широкое применение вертолетных группировок в боевых действиях и их малая защищенность от средств ПВО.

По скорости полета, влияющей на большое количество конструкторско-технологических решений, АЛЦ классифицируются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Дозвуковые АЛЦ предназначены для имитации самолетов и вертолетов армейской авиации, крылатых ракет и крейсерских режимов полета самолетов тактической, оперативно-тактической и военнотранспортной авиации. Сверхзвуковые АЛЦ должны применяться для имитации режимов боевого маневрирования самолетов оперативно-тактической и истребительной авиации и крейсерских режимов полета самолетов стратегической авиации.

Гиперзвуковые АЛЦ предназначены для имитации разрабатываемых в настоящее время перспективных боевых гиперзвуковых ЛА.

По типу старта АЛЦ делятся на АЛЦ воздушного и наземного/морского старта.

АЛЦ воздушного старта осуществляют старт с самолета (вертолета)-носителя. В соответствие с этим на них накладываются более жесткие требования по массогабаритным характеристикам. Данный тип АЛЦ отличается меньшим запасом топлива и, как правило, отсутствием посадочных устройств. Среди АЛЦ воздушного старта преобладают боевые АЛЦ, стартующие в непосредственной близости от зоны их применения.

АЛЦ наземного/морского старта осуществляют взлет с пусковой установки при помощи стартового ускорителя или посамолетному. Вследствие этого на них накладываются менее жесткие требования по массогабаритным характеристикам.

Данный тип АЛЦ встречается реже и применяется при необходимости использования габаритной целевой нагрузки или обеспечения большой продолжительности полета.

По кратности применения АЛЦ делятся на многоразовые и одноразовые БЛА. Многоразовые АЛЦ имеют кратность применения до одного-двух десятков раз, ограниченную межремонтным ресурсом двигателя и планера. Они оснащены посадочными устройствами, как правило, в виде основного парашюта и дополнительными пневматическими или гидравлическими амортизаторами. Одноразовые АЛЦ не имеют системы спасения и применяются однократно. По завершении полетного задания они осуществляют либо самоликвидацию, либо при оснащении их боевой частью могут применяться в качестве средств поражения наземных и воздушных объектов противника. Как было отмечено выше, к данному типу относятся, как правило, АЛЦ воздушного старта.

1.3. Организация функционирования беспилотных авиационных комплексов Как было отмечено в монографии [1], в существующих отечественных и зарубежных работах практически не рассматриваются вопросы организации функционирования БАК.

Для реализации системного подхода к вопросу эффективного применения БАК необходимо решить следующие основные задачи:

1. Формирование организационно-штатной структуры процесса эксплуатации БАК.

2. Разработка методики (алгоритма) применения БАК при решении различных целевых задач.

3. Определение информационного взаимодействия внутри и между БАК, а также с подразделениями, которым приданы соответствующие комплексы.

При решении первой задачи предлагается два варианта формирования организационно-штатных структур:

а) объединить БАК в беспилотную авиационную эскадрилью (БАЭ) по аналогии с пилотируемыми ЛА;

б) включить БАК в состав соответствующих подразделений в качестве функциональных элементов.

В первом случае, оргструктура управления применяемыми беспилотными ЛА будет иметь вид, представленный на Рис. 1.7. На этом рисунке обозначены все находящиеся в воздухе БЛА, управляемые с помощью МНПУ, входящими в состав соответствующих БАК.

Штаб БАЭ должен размещаться на существующих образцах командно-штабных машин, оснащенных соответствующими АРМ и средствами связи.

Рассмотрим организацию работы БАЭ на примере такой перспективной в настоящее время проблемы как формирование единого информационного пространства обстановки в некотором районе путём ведения разведки с помощью совокупности ИнБЛА [1].

Начальник Алгоритм функционирования БАЭ состоит из следующих этапов:

1. Получение командиром БАЭ от вышестоящего командира распоряжения (приказа) о проведении разведки в конкретном районе в заданном интервале времени.

2. Планирование командиром совместно с начальником штаба БАЭ требуемого числа БЛА и мест дислокации применяемых в операции БАК.

3. Формирование штурманом БАЭ полетных заданий для всех БАК, участвующих в операции.

4. Определение метеорологом БАЭ условий выполнения полетов БЛА в районе проведения операции, а также их взлета (старта) и посадки.

5. Передача метеоданных командирам БАК.

6. Принятие решений командирами БАК в зависимости от поставленных задач и метеоусловий по типам целевой нагрузки, устанавливаемой на применяемые БЛА.

7. Проведение математиками – системными программистами и командирами расчетов МНПУ программирования траекторий БЛА и согласование результатов со штурманом БАЭ.

8. Выдвижение всех компонентов БАК в назначенные места дислокации, их развертывание и проверка техническими расчётами комплексов используемого оборудования и аппаратуры.

9. Предполётная подготовка БЛА (ввод в систему автоматического управления БЛА (см. Рис. 1.1) программ полётов, установка требуемой целевой аппаратуры, предстартовый контроль бортовых систем) и доклады командиров БАК командиру БАЭ о готовности комплексов к работе.

10. Старт (взлет) БЛА согласно графику их полётов, утвержденному штурманом и начальником штаба БАЭ.

11. Контроль операторами управления БЛА их движения в заданные контролируемые районы. По завершению этих этапов полетов БЛА доклады командиров расчётов МНПУ командиру БАК о начале выполнения целевых задач, состоящих в поиске, обнаружении и идентификации объектов разведки (доразведки).

12. Получение операторами целевой нагрузки МНПУ бортовой информации от установленной на БЛА аппаратуры, анализ обстановки в областях их ответственности и доклады командиру расчета МНПУ о текущей обстановке в контролируемом районе.

13. При обнаружении, распознавании и идентификации целей в зоне ответственности МНПУ командир его расчёта ставит задачу оператору связи передать информацию о них (в виде фрагментов электронных карт областей с нанесенными на них координатами и характеристиками целей) командиру БАЭ, который после контроля передаёт их в общую сеть сбора и обработки информации. В противном случае (отсутствие обнаруженных целей) продолжается выполнение работ по п.12 данного алгоритма.

14. При неудовлетворительных результатах разведки получение командиром БАК от командира БАЭ приказа о доразведке выявленных целей либо повторном контроле определённых областей.

15. Командир БАК передает этот приказ командиру расчёта соответствующего МНПУ, который отдает распоряжение оператору управления конкретного БЛА о переходе на радиокомандный режим его управления. При выполнении этим оператором требуемых действий параллельно выполняются работы по п.12 алгоритма.

16. По завершению полётных заданий каждый БЛА в программном или радиокомандном режимах управления осуществляет полёты в зоны их посадки.

17. Посадка БЛА и проведение персоналом технических расчётов БАК их послеполётного контроля, технического обслуживания и ремонта с отправкой годных к применению БЛА на стартовые позиции БАК.

18. Доклад командиров БАК командиру БАЭ о завершении полетов БЛА.

Аналогичные алгоритмы могут быть разработаны для группового применения других типов БЛА, представленных на Рис.

1.2. Отдельные этапы этого алгоритма используются при втором варианте эксплуатации БАК.

Информационное взаимодействие субъектов и объектов, участвующих в операции с применением БЛА, должно основываться на использовании современных инфокоммуникационных технологий, базирующихся на сети АРМ персоналов БАК и БАЭ, связанных между собой и с БЛА цифровыми радиоканалами связи.

Перспективной формой организации крупномасштабного использования БЛА при решении военных и гражданских задач является применение беспилотных группировок, состоящих из нескольких БАЭ [55].

В заключение данного раздела можно заметить, что в развитии прикладной теории управления БЛА должна быть разработана общая теория их применения, которая наряду с методами управления БЛА рассматривает модели и методы принятия решений по организации эффективного применения БЛА в соответствующих операциях.

и основные задачи его реализации Одним из недостатков в развитии отечественных БЛА является отсутствие четкой и общепринятой структуры их жизненного цикла (ЖЦ) [106].

Рассмотрим перспективные методы и технологии реализации стадий ЖЦ БЛА, представленного на Рис. 1.8.

Для эффективной организации работ на стадии 1 необходима разработка теории и систем автоматизированного проектирования БЛА различного назначения, представленных на Рис. 1.2. Необходимость таких средств определяется тем, что применяемые в настоящее время отечественными разработчиками средства локальной автоматизации проектно-конструкторских работ не позволяет добиться резкого сокращения времени разработки БЛА с одновременной оптимизацией формируемых проектных решений.

Обязательным условием для получения таких решений является разработка математических моделей, методов и алгоритмов теории оптимального проектирования БЛА.

Эта теория может быть построена на имеющемся достаточно богатом научно-техническом заделе 70-80 г.г. прошлого века по оптимальному проектированию самолетов и вертолетов с соответствующими корректировками, связанными, например, с более широким использованием в конструкции БЛА перспективных композиционных материалов, отсутствием на борту экипажа и т.п.

Следует отметить, что для успешного решения проблемы создания эффективных БЛА необходимо разработать семейство малогабаритных поршневых и воздушно-реактивных двигателей высокой тяговооруженности. В перспективе должны быть созданы силовые установки для сверхзвуковых и гиперзвуковых БЛА.

Разработанные методы теории оптимального проектирования БЛА должны быть реализованы в составе распределенной САПР [76] проектной организации, которая включает в себя следующие комплексы программ коллективного пользования:

• «Предпроектные оценки и системная оптимизация БЛА»;

• «Аэродинамика, динамика полета и управление БЛА»;

• «Конструкция и силовая установка БЛА»;

• «Прочность БЛА»;

• «Технология БЛА»;

• «Комплекс бортового оборудования (КБО) БЛА»;

• «Целевая аппаратура (нагрузка) БЛА».

Для эффективной эксплуатации САПР БЛА создается распределенный банк данных системы [76], содержащий наряду с нормативно-справочной информацией исходные данные для проектирования и конструирования, а также результаты аэродинамических, прочностных, весовых и других расчетов, промежуточные и окончательные проектно-конструкторские решения по узлам и агрегатам БЛА. Обязательным компонентом этого банка должна быть цифровая модель разрабатываемого БЛА. Все эти данные должны быть доступны в пределах компетенции пользователям САПР БЛА с их рабочих станций (АРМ). Обязательным компонентом САПР БЛА должна быть подсистема «Управление проектом», с помощью которой осуществляется планирование разработки БЛА и контроль выполнения соответствующих работ и сроков.

Как показал анализ состояния вопроса, стадия 2 ЖЦ БЛА практически не отражена в существующей литературе. Исключением являются работы [44, 45], в которых рассматриваются некоторые частные вопросы применения БЛА.

На наш взгляд в составе этой стадии ЖЦ должны решаться следующие основные задачи:

• выделение совокупности типовых тактических ситуаций (ТТС) применения разрабатываемого образца БЛА;

• определение для каждой ТТС потребного числа БЛА и типовых траекторий их полетов;

• выбор для каждой ТТС и применяемых в ней БЛА состава и характеристик целевого оборудования (целевой нагрузки);

• определение параметров и характеристик используемых в каждой ТТС информационных и командных радиолиний связи с БЛА;

• формирование временного графика применения БЛА в каждой ТТС.

Как отмечено на Рис. 1.8, работы данного этапа итерационным образом взаимодействуют со стадией 1 ЖЦ БЛА.

Стадия 3 ЖЦ является важнейшей и достаточно трудоемкой стадией его создания. Следуя общему подходу к автоматизации испытаний изделий авиационной техники [86], на этой стадии выделяются два этапа:

1. Автоматизированные наземные испытания БЛА.

2. Автоматизированные летные испытания БЛА.

Автоматизированные системы испытаний и доводки проектно-конструкторских решений, сформированные с использованием современной измерительной, компьютерной и коммуникационной техники [86], должны в автоматическом режиме передавать на стадию 1 ЖЦ полученные результаты в соответствующие базы данных САПР БЛА. Отметим, что в связи с нарастающей тенденцией компьютеризации КБО БЛА резко возрастает необходимость использования на этапе 1 автоматизированных полунатурных стендов испытаний и доводки БЛА с имитацией их полетов. При практической реализации этой стадии ЖЦ БЛА можно воспользоваться современным опытом предприятий-разработчиков БЛА ракетных схем, в частности ОАО «ГНЦ МКБ «РАДУГА» [87].

При автоматизации летных испытаний БЛА необходимо разработать программно-аппаратные средства обработки телеметрических данных и информации, поступающей от трассовых измерительных комплексов испытательного полигона.

Обучение и повышение квалификации персонала БАК на стадии 4 ЖЦ возлагается на разработчиков БЛА. Для повышения эффективности данного этапа здесь должны широко использоваться компьютерные технологии, пример которой приведен в работе [88]. В общем случае можно констатировать, что в РФ в настоящее время не ведется подготовка и переподготовка специалистов по разработке и эксплуатации БЛА. Неудачей окончилась попытка обучения таких специалистов на базе одного из российских военных авиационных училищ. Отрицательную роль сыграло и закрытие Центра беспилотной авиации в г. Егорьевске. На наш взгляд подготовкой разработчиков и эксплуатантов БЛА должны заняться вузы, обучающие студентов по специальностям «Самолето- вертолетостроение» и «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиационных двигателей». Кроме этого необходимо на новом качественном уровне восстановить работу указанного выше Центра [106].

Отметим особенности реализации стадии 5 ЖЦ БЛА. При производстве БЛА должно широко использоваться оборудование с ЧПУ, базовые программы для которого разрабатываются в комплексе программ «Технология БЛА» САПР БЛА и передаются совместно с конструкторской и технологической документацией предприятию-изготовителю БЛА. Кроме этого для повышения качества изготовления и надежности БЛА [3] необходимо, как это делается в пилотируемой авиации, включить в производственный процесс автоматизированные наземные контрольные и приемо-сдаточные летные испытания БЛА [86]. В качестве средств автоматизации таких испытаний могут быть использованы упрощенные образцы средств, примененных на стадии 3 ЖЦ БЛА.

Для успешной реализации на практике стадии 6 ЖЦ необходимым условием является разработка методов прикладной теории программного управления БЛА и моделирования их полетов при выбранном персоналом БАК управлении [54]. Суть этой теории заключается в использовании конкретных видов траекторий БЛА, формируемых математиком – системным программистом и командиром расчета МНПУ БАК с использованием методов теории обратных задач [9] и методов теории оптимального управления [4, 5, 11]. В этом состоит отличие методов прикладной теории управления БЛА от использования общепринятых в настоящее время координатных и координатновременн х графиков движения БЛА [85] при выполнении конкретного полетного задания.

Целью моделирования движения БЛА, которое осуществляется на вычислительных средствах МНПУ БАК, является принятие решения о возможности его полета при выбранном управлении в условиях действия существующих внешних факторов (ветер, состояние ВПП и т.п.).

Отметим, что для реализации на стадии 5 ЖЦ БЛА моделей и методов прикладной теории управления БЛА персонал БАК должен в обязательном порядке получить от разработчиков используемых БЛА аналитические выражения для аэродинамических и моментных коэффициентов и высотно-скоростной характеристики силовой установки БЛА. Кроме задач выбора управления движением БЛА на этой стадии необходимо решать ряд организационных задач:

• выбор мест дислокации МНПУ, мобильных пусковых установок (МПУ) и временных площадок (аэродромов) взлета и посадки БЛА;

• определение потребного количества БЛА для проведения конкретной операции;

• расчет требуемых и гарантированных запасов топлива для используемых в операции БЛА;

• расчет требуемого количества запасных элементов БЛА для оперативного послеполетного ремонта поврежденных образцов;

Эти задачи должны быть сформулированы в рамках перспективной прикладной теории применения БЛА как задачи принятия персоналом БАЭ оптимальных организационных и оперативных решений. Постановки и методы решения некоторых таких задач применительно к ИнБАК приведены в работах [77-81]. Задачи выбора управления БЛА и принятия решений по их применению должны быть реализованы в форме функционального программного обеспечения АРМ персонала БАК и БАЭ и решаться с использованием соответствующих информационно-коммуникационных технологий.

Заметим, что для успешного развития теории создания и применения беспилотной техники необходимо организовать издание электронного научно-технического журнала по этой тематике, включенного в перечень ВАК РФ, а также регулярно проводить международную научно-техническую конференцию «Проблемы, перспективы и опыт применения беспилотной авиационной техники» взамен ранее регулярно проводимой на базе ныне расформированной ВВИА им. Н.Е. Жуковского конференции «Комплексы с БЛА России». Существующее в настоящее время периодическое издание [83] публикует в основном новостные, рекламные и исторические материалы по беспилотной авиации.

В практическом аспекте создания и эксплуатации БЛА существенно необходимым является разработка ведущими организациями РФ в области авиационной науки и техники (ЦАГИ, ЛИИ, МАИ, НИЦ ЭРАТ и др.) серии «Руководства для конструкторов» (РДК) различных видов БЛА (см. Рис. 1.2) и «Норм летной годности (НЛГ) БЛА» [3] для их обязательного использования отечественными предприятиями и организациями.

Одной из проблем рассматриваемой стадии ЖЦ является практически нерешенная комплексная проблема обеспечения информационной безопасности функционирования БАК [71].

Модификация БЛА (стадия 7 ЖЦ) проводится по результатам стадии 6 ЖЦ и при появлении более эффективных образцов целевой аппаратуры (нагрузки) и бортовых систем БЛА.

Задание на модификацию действующего образца БЛА формируется его Заказчиком и передается Разработчику на стадию ЖЦ. Здесь можно отметить опыт КНР, в которой «старые» образцы БЛА военного назначения передаются для гражданского использования в народном хозяйстве. В нашей стране широкое применение БЛА в гражданских целях в настоящее время невозможно из-за отсутствия правовых актов, разрешающих полеты БЛА в общем воздушном пространстве РФ.

Последняя стадия 8 ЖЦ подразумевает утилизацию БЛА по правилам, принятым для изделий авиационной техники.

В заключение можно отметить, что эффективное и конкурентоспособное развитие отечественной беспилотной авиационной техники возможно только при условии комплексного подхода к БЛА как перспективным и сложным изделиям авиационной техники и при широком использовании на практике теории их создания и применения в совокупности с принятыми на государственном уровне НЛГ БЛА.

прикладной теории управления БЛА К настоящему времени имеется значительное число работ, в которых рассматриваются различные вопросы управления ЛА [4, 5, 6, 7, 9, 11, 13, 16, 33, 39, 49 и др.]. Как показал проведенный анализ, основная масса существующих работ ориентирована на задачи создания систем автоматического управления (САУ) ЛА и используют при этом весьма сложные или значительно упрощенные модели движения ЛА. Следует отметить, что применяемые методы формирования управлений ЛА являются весьма громоздкими и требуют при их использовании достаточно больших затрат машинного времени.

Другой особенностью существующих работ является практическое отсутствие в них рассмотрения задач траекторного управления пилотируемых ЛА, то есть задач выбора управления ЛА, формирующего требуемую траекторию его движения.

Исключением здесь являются работы [9,11], в которых такие задачи излагаются на академическом уровне без указания практических методик их решения.

Работы по управлению БЛА либо рассматривают вопросы управления ракетами и космическими аппаратами [2, 6, 11, 13, 29], либо посвящены задачам формирования управлений БЛА, рассмотренных в Разд. 1.1, на отдельных этапах их полетов [1, 31].

Отмеченные выше недостатки существующих подходов к формированию управлений БЛА определяют необходимость разработки прикладной теории решения таких задач, ориентированную на ее использование в процессах эксплуатации БАК, рассмотренных в Разд. 1.2.

Сформируем основные принципы прикладной теории управления БЛА:

1. Принцип комплексного охвата моделями и методами теории всех этапов полета БЛА.

Применение этого принципа подразумевает возможность программирования методами этой теории всей совокупности этапов движения конкретного БЛА от его старта (взлета) до приземления (посадки) в заданном районе (аэродроме).

2. Принцип учета возмущений, в частности ветровых, действующих на всех этапах полета БЛА.

Как было отмечено в Разд. 1.1, существующие БЛА имеют значительный разброс таких характеристик как масса, скорость и высота полета при небольших значениях показателей их тяговооруженности [46]. Поэтому реализация такого преимущества БЛА как возможность эксплуатации в неблагоприятных для пилотируемых ЛА метеоусловиях требует использования этого принципа при разработке методов прикладной теории управления БЛА.

3. Принцип формирования траектории полета БЛА, наиболее подходящей для решения конкретной целевой задачи.

Реализация данного принципа позволяет соответствующему персоналу БАК формировать требуемые траектории полета БЛА, учитывающие конкретные текущие условия решения поставленных целевых задач, а также опыт выполнения предыдущих полетов БЛА. При этом рекомендуется использовать соответствующие методы теории обратных задач управления, вариационного исчисления и оптимального управления динамическими объектами, теоретические основы которых приведены в Главе 2.

4. Принцип обеспечения минимальной трудоемкости решения задач программирования полетов БЛА.

Этот принцип обеспечивает применение методов и алгоритмов теории, которые позволяют определять требуемое управление конкретным БЛА и провести моделирование его движения на ограниченных по вычислительной мощности программно-аппаратных средствах АРМ математика – системного программиста МНПУ за минимальное время.

Предметом прикладной теории управления БЛА является разработка математических методов и алгоритмов формирования управления различными видами БЛА при решении с их использованием соответствующих целевых задач.