Тенденции развития бортового радиоэлектронного оборудования

ЭВРИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Как уже было отмечено выше, строгое математическое решение задачи синтеза оптимальной структуры РЭС может отсутствовать. Действительно, такое решение в общем виде может быть получено в результате многокритериальной оптимизации нелинейной целевой функции при многочисленных ограничениях. Ввиду отсутствия общих методов решения задач многокритериальной оптимизации технических объектов, а также предельной сложности формализации ограничений, вызванных функциональными возможностями аппаратуры и ее элементной базы, в обозримом будущем при разработке сложных РЭС основными методами проектирования будут оставаться эвристические и полуэвристические процедуры, основанные на опыте разработчика.

В данном разделе приводится иллюстрация использования таких процедур на примере «Программы разработки базового комплекса бортового оборудования для перспективных летательных аппаратов 5-го поколения», которая разрабатывалась в конце 90-х годов прошлого века.

В конце прошлого столетия опыт боевого применения авиации показал, что боевые возможности современных самолетов во все большей степени определяются не только их летно-техническими характеристиками и вооружением, но и возможностями комплекса бортового оборудования (КБО), осуществляющего обеспечение (в первую очередь - информационное) всех этапов полета [Авиация и космонавтика, январь 2001г.]. При этом объем задач, решаемых современными и перспективными авиационными комплексами (АК) настолько велик, что их обеспечение не может быть достигнуто простым наращиванием аппаратуры КБО. В связи с наличием ограничений на массо-габартные характеристики, энергопотребление и стоимость бортового оборудования одной из основных задач проектирования АК является рациональный выбор принципов построения и архитектуры КБО.

АРХИТЕКТУРА - концепция взаимосвязи элементов сложной структуры и включает в себя компоненты логического, программного и физического взаимодействия.

Архитектура содержит в себе два принципиальных аспекта: исполнение и реализацию. Под исполнением понимается описание внутренней структуры, делающей возможным осуществление функциональное назначение комплекса. Описание может иметь морфологическую, функциональную и информационную компоненты. Например, для радиолокатора морфологическим описанием могут являться принципиальные схемы, функциональным описанием – описание работы в разных режимах и, наконец, информационным описанием – значения величин измеряемых характеристик (диапазон измеряемых дальностей, скоростей сектора обзора по угловым координатам и т.п.) и их ошибок измерения. Система может не иметь всех трех компонент. Например, детерминированные системы (когда входное воздействие определяет детерминированное значение выходного параметра) не имеют информационной компоненты, а нестационарные системы могут не иметь морфологического описания. Реализация архитектуры – это физическое воплощение исполнения.

В боевых современных самолетах четвертого поколения реализована децентрализованная архитектура, когда группа информационных датчиков или потребителей информации (для краткости - абоненты) подключены к своим бортовым ЦВМ (БЦВМ), принадлежащим только этой группе абонентов и управляемым от единого многофункционального пульта управления (МФПУ) через БЦВМ верхнего уровня. При этом в функции БЦВМ верхнего уровня входит организация обмена информацией по магистрали информационного обмена верхнего уровня. Единым для всех комплексов является и набор многофункциональных индикаторов (МФИ), установленный в кабине (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1.

Такая архитектура имеет очевидные преимущества:

1) снижение массо - габаритных характеристик за счет сокращения числа пультов и индикаторов;

2) возможность комплексной обработки информации, поступающей в БЦВМ верхнего уровня;

3) возможность реализации удобного пользовательского интерфейса экипажа (единого для многих ЛА)

4) упрощение отладки всего комплекса бортового оборудования за счет естественной декомпозиции его структуры.

К недостаткам данной архитектуры следует отнести:

1) отсутствие доступа ресурсов одного комплекса к ресурсам другого, что может привести к простою аппаратуры одного комплекса при перегрузке другого;

2) неперестраиваемость структуры комплекса к потребностям задач в ресурсах или при отказах;

3) неоднородность структуры, например, наличие различных БЦВМ и разных технологий отладки специального программного обеспечения.

Перечисленные недостатки снижают потенциальную производительность и надежность комплекса. Из анализа отмеченных недостатков можно сформулировать два принципа, которым должны удовлетворять перспективные комплексы бортового оборудования, а именно:

1) однородность структуры;

2) возможность динамической реконфигурации структуры.

Кроме того, опыт предыдущих разработок показал, что бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО) морально устаревает быстрее планера, поэтому структура перспективного бортового комплекса должна обеспечивать возможность ее последующей модернизации. При этом модернизация отдельных систем не должна приводить к необходимости переделки или доработки другой аппаратуры. Такое свойство называется открытостью архитектуры. Соответственно

3) открытость архитектуры - очередное требование, которому должны удовлетворять перспективные КБО.

Дальнейший анализ требований к перспективным авиационным комплексам (АК) показывает, что их наиболее полное удовлетворение при действующих ограничениях возможно только при более глубокой интеграции КБО. При этом под интегрированностью комплекса понимают его свойство удовлетворять заданному множеству целей С на минимальном (или ограниченном) множестве ресурсов R. Основные направления интеграции КБО представлены на рисунке 3.2.

Наряду с интегрированностью будем различать такое необходимое свойство перспективных комплексов как комплексированность. Под этим свойством понимается такое объединение входящих в эти комплексы РЭС, которое порождает новое множество задач, решаемых этим комплексом. Так, если РЭС S1 и S2 могут решать задачи С1 и С2 соответственно, причем С1С2≠0, то обладающий этим свойством комплекс К, состоящий из двух неделимых РЭС S1 и S2 решает новое множество задач Ск(С1С2), причем Ск\(С1С2)0. Так, например, при объединении ресурсов бортовой РЛС (БРЛС) и бортового комплекса радиоэлектронного противодействия (КРЭП) появляется возможность постановки эффективной помехи БРЛС противника по боковому лепестку диаграммы направленности его антенны. Действительно, поскольку как собственные, так и БРЛС противника, работают в одном и том же диапазоне волн, использование антенны БРЛС для постановки помехи противнику существенно повышает ее (помехи) энергопотенциал. Кроме того, в режиме шумопеленгования (когда противник использует метод самоприкрытия) использование антенны БРЛС обеспечивает более точное направление прихода помехи, поскольку она имеет более узкую диаграмму направленности, чем антенна станции активных помех (САП) КРЭП.

Рисунок 3.2.

В соответствии со сказанным, можно выделить еще один принцип, которому должна удовлетворять архитектура перспективного БРЭО, а именно:

4) интегрированность и комплексированность входящих модулей.

Анализ преимуществ и недостатков существующих КБО в качестве отечественной концепции развития их архитектуры позволил предложить направление эволюционного перехода, предусматривающего несколько последовательных шагов, связанных единым концептуальным смыслом. При этом на каждом шаге в максимальной степени используется опыт предыдущих наработок. Предусматриваются следующие эволюционные стадии развития:

- КБО с интеграцией данных;

- КБО с интеграцией сигналов и данных;

- аппаратурно-интегрированные КБО.

Первым и наиболее простым с точки зрения технической реализации направлением создания интегрированных КБО является отработка аппаратуры с интеграцией данных, которая предусматривает интеграцию процессоров данных всех РЭС КБО (рисунок 3.3а). Такая архитектура получила название «федеративной» в соответствии с принципом объединения информации на основе применения шины данных. Реализация архитектуры КБО с интеграцией данных позволит обеспечить совместную обработку информационных потоков в комплексе, координацию работы различных датчиков, устройств отображения информации и диагностики оборудования.

Следующим шагом развития КБО является отработка архитектуры с интеграцией сигналов и данных. В рамках этой концепции создается единая вычислительная среда из процессоров сигналов и данных (рисунок 3.3б). Реализация такой архитектуры позволяет реально говорить об управлении вычислительными ресурсами всего комплекса и динамической реконфигурации КБО в процессе функционирования. Действительно, через реконфигурацию единой вычислительной среды возможно объединение несвязанных РЭС и независимо выполняемых функций (существующих в федеративной архитектуре) в функциональные подсистемы, решающие комплексные задачи (т.е. в подсистемы более высокого уровня). Например, задача организации обороны самолета эффективно решается при совместном использовании противозенитного (противоракетного) маневра, использовании собственной огневой мощи и применении средств РЭП, т.е. требуется совместное взаимодействие системы управления полетом, системы управления вооружением и радиоэлектронного комплекса. Такое же объединение необходимо для эффективного решения таких задач как «атака цели», «техническая диагностика» и т.п. Такая архитектура КБО получила название «иерархической» - по признаку объединения независимых РЭС и решаемых ими задач в более сложные по иерархии. Основными проблемами, сдерживающими применение такой архитектуры, являются:

- разработка распределенной вычислительной среды;

- разработка методов реконфигурации процессоров сигналов и данных;

- разработка технологии программирования в распределенной вычислительной среде.

Однако в рамках иерархической архитектуры по-прежнему остаются датчики и подсистемы, имеющие обособленную аппаратурную реализацию. Следующим шагом совершенствования архитектуры построения КБО является переход к аппаратурно-интегрированной архитектуре (рисунок 3.3в).

Архитектура аппаратурно-интегрированного КБО основана на создании общих аппаратурных элементов для всех информационных каналов, т.е. в ней возможна реконфигурация не только на уровне распределенной вычислительной системы, но и на уровне датчиков. К таким датчикам можно отнести:

- интегрированный радиотехнический датчик;

- интегрированный оптико-электронный датчик;

- интегрированный нерадиотехнический датчик.

Динамическая реконфигурация аппаратурно-интегрированного КБО осуществляется уже не по функциональным задачам, а по виду операций с сигнальными полями.

Рассмотренные варианты архитектурного построения КБО характеризуют наиболее общие тенденции его развития. Полномасштабное следование любой из перечисленных концепций на сегодняшний день вряд ли возможно (в том числе и в силу существования вышеназванных технических проблем), однако отдельные элементы этих концепций, особенно связанные с реализацией «федеративной» архитектуры, должны найти применение при проектировании перспективных КБО.

Рисунок 3.3а

Рисунок 3.3б

Рисунок 3.3в