Реализаций наиболее вероятных сценариев, учитывающих комплексное применение подводных лодок, надводных кораблей, средств гидроакустического противодействия и пр

Вид материала

Содержание

5.3 Разработка структуры БИСУ на основе ее архитектуры

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7

^ 5.3 Разработка структуры БИСУ на основе ее архитектуры

и архитектурно-структурного задела, наработанного в процессе эволюции БСУ

Структурная схема БСУ предполагает учет конструктивных особенностей торпеды при декомпозиции ее физического уровня на блоки и устройства. Архитектурная схема БСУ может быть разработана без привязки к конструкции торпеды. Поэтому, предварим разработку структурной схемы БИСУ разработкой архитектурной схемы, используя обобщенную архитектурную схему физического уровня БИСУ (рисунок 5.3) и основываясь на анализе современного состояния структур надсистем “корабль-торпеда-цель”, эволюции торпед и РЭСТ.

Анализ современного состояния надсистемы “корабль-торпеда-цель” показывает, что качественные изменения элементного базиса в части субмикронных и информационных технологий привели к усложнению надсистемы не только из-за увеличения одновременно применяемых целью числа средств ГПД (рисунок 5.6), но и из-за искажения акустического поля посредством увеличения эффекта каждого из применяемых средств ГПД. Усложнение задачи распознавания торпедой цели на фоне помех очередной раз привело к снижению эффективной дальности стрельбы торпеды. В результате, направленность совершенствования основной составляющей функциональности БСУ, диктуемая ее надсистемой “корабль-торпеда-цель”, на данном этапе развития (по сравнению с предыдущими этапами) не изменилась, но требования к выделению цели на фоне генерируемых средствами ГПД помех резко ужесточились.

Структура надсистемы БСУ эволюции торпед (рисунок 3.4), обусловливающая требования к динамичности системы РЭСТ, сохранилась, но динамика ее изменилась. Реализации торпедных БСУ и средств ГПД уже на этапах аналоговых и цифровых электронных БСУ основывались на едином элементном базисе, взаимно обусловливая процесс противостояния БСУ и средств ГПД, динамичность которого диктовалась характером эволюции этого элементного базиса. Дальнейшее его бурное развитие и широкое применение информационных технологий привели к тому, что скорость развития элементного базиса стала сначала соизмеримой, а в настоящее время - выше скорости разработки БСУ. Это привело к устареванию элементной базы еще до завершения разработки БСУ. В результате, актуальной стала проблема физической реализуемости БСУ с эволюционно стабильной эффективностью, т.е. создания такой БСУ, применение которой позволит с требуемой динамикой поддерживать высокий уровень боевой эффективности в условиях противостояния постоянно совершенствующимся средствам ГПД. Решение этой проблемы состоит в придании современной БСУ высокого модернизационного потенциала, позволяющего быстро и адекватно реагировать на совершенствование средств ГПД и тактику их применения. Такой потенциал должен быть заложен в структуре системы РЭСТ и архитектурных решениях БИСУ (требования пунктов 1…3 раздела 5.2).

Заметим, что по мере развития БСУ, поле для реализации данного потенциала сужается, и все больше смещается в область информационного уровня БСУ, так как резервы качественного улучшения функциональности за счет расширения физического уровня БСУ практически исчерпаны. Причиной тому является отсутствие резервов в расширении номенклатуры физических полей, применяемых в контуре самонаведения БСУ. Физические поля кроме акустического, которые в обозримом будущем могли бы быть применены в ССН для увеличения их обнаруженческого потенциала, отсутствуют. Т.е. необходимо признать, что в настоящее время возможности расширения номенклатуры измерительных систем БСУ для обнаружения корабля-цели исчерпаны.

Природа же акустического контура самонаведения, основанная на озвучивании пространства возможного положения целей, измерении параметров акустических волн, отраженных от неоднородностей этого пространства, и обработке измерений, ориентированной на обнаружение и классификацию неоднородностей для идентификации цели, наряду с уникальными информационными возможностями обладает слабой стороной. Ее слабой стороной является протяженность акустического канала и невозможность обеспечения его обособленности (защиты) от воздействия естественных и организованных противником помех. Увеличению обнаруженческого потенциала способствует увеличение апертуры акустических антенн. В рамках существующих акустических систем физическое увеличение апертуры антенных решеток наталкивается на ограничение калибра торпеды, а с внедрением на этапе электронных цифровых БСУ полнозаполненных антенных решеток, уже практически исчерпаны резервы совершенствования антенн ССН. Теоретический задел по дальнейшему качественному увеличению обнаруженческого потенциала ССН связан с внедрением, так называемых, синтезированных апертур, реализуемых на информационном уровне путем построения специальных алгоритмов. Эти алгоритмы основаны на синтезе “виртуальной” апертуры из запомненных в разные моменты времени положений антенны в единой системе координат и строятся на объединении акустического и навигационного информационных потоков.

Реализация подобных алгоритмов стала возможна лишь при наличии в решающем устройстве запоминающих устройств и информационных коммуникаций, позволяющих объединять информационные потоки разных измерительных систем. Именно эта новая архитектурная возможность решающего устройства БИСУ открывает путь к реализации нового широкого спектра алгоритмов, основанных на комплексировании с накоплением информации и физически не реализуемых в электронных аналоговых и цифровых БСУ. В частности, возможность запоминания информации об акустических неоднородностях в разные моменты времени, но в единой системе координат, позволяет синтезировать из них информационные объекты, характеризуемые не только традиционными акустическими признаками (оценкой Доплеровской скорости, эквивалентным радиусом, протяженностью цели и пр.), но и поведенческими признаками (линейной и угловой скоростью, ускорением цели и пр.). Эти признаки можно дополнить данными еще одного независимого измерительного тракта о напряженности магнитного поля вблизи цели. Расширение размерности полученных таким образом информационных объектов позволяет более достоверно выделять цель на фоне организованных помех, и качественно влиять на функциональность БСУ.

Применение ранее класса алгоритмов комплексирования с накоплением было крайне затруднено из-за архитектурных ограничений БСУ и ограничений, налагаемых элементной базой. В настоящее время, в рамках нерасширяющейся номенклатуры измерительных систем, внедрение алгоритмов данного класса является практически единственным эффективным средством дальнейшего совершенствования основной составляющей функциональности и повышения эффективности БСУ.

Основываясь на обобщенной архитектурной схеме (рисунок 5.3), текущем состоянии элементного базиса и архитектурном заделе, накопленном на предшествующих этапах данному этапу, архитектуру БИСУ можно представить в виде архитектурных схем (рисунки 5.7 и 5.8).

На схеме, отображенной на рисунке 5.7, знак окружности в правом верхнем углу прямоугольников означает, что архитектура отображаемых этими прямоугольниками физических устройств – двухуровневая, т.е. содержит информационный уровень, который раскрывается в схеме (рисунок 5.8). Номенклатура физических полей, с которыми взаимодействует БИСУ, та же, что и номенклатура физических полей, с которыми взаимодействует ближайший прототип БИСУ - электронная цифровая БСУ. Это означает, что развитие “вширь” нижнего слоя БСУ приостановилось, его развитие сводится лишь к локальному совершенствованию датчиков и исполнительных механизмов. Качественно изменился слой устройств согласования, у которого появился информационный архитектурный уровень. Наибольшие изменения (относительно прототипа) претерпели слои решающих устройств и кабельной сети, которые объединились в единую для всей БИСУ вычислительную сеть. Поскольку декомпозиция БИСУ на подсистемы осуществляется на информационном архитектурном уровне, поля подсистем физического архитектурного уровня БИСУ трансформировались в измерительно-исполнительные тракты. Это позволило существенно сместить нагрузку по обеспечению независимости декомпозированных компонентов БИСУ в область ее информационного уровня, обеспечив тем самым в практическом смысле независимость между собой ее физических компонентов. Отметим также, что в физическую основу устройств БИСУ все в большей степени внедряется микропроцессорная электроника, вытесняя аналоговую электронику и электромеханику, характерную для физической основы прототипов БИСУ.

На рисунке 5.8 представлен вариант архитектурной схемы информационного уровня БИСУ. Она поглощает все архитектурные решения архитектурной схемы информационного уровня электронных цифровых БСУ (рисунок 4.5). Тем самым в рамках инфраструктуры БИСУ обеспечиваются все необходимые условия для использования теоретического и алгоритмического заделов, наработанных на этапе электронных цифровых БСУ.

На архитектурной схеме (рисунок 5.8) в нижнем слое, на 0-м уровне интеграции, размещены драйверы, решающие задачу информационного сопряжения потоков данных, входных в и выходных из ВС БИСУ, с потоками данных, циркулирующих в ВС БИСУ, в соответствии с принятыми форматами, структурой и динамическими диапазонами данных единого информационного пространства ВС БИСУ. В соответствии с предложенной в разделе 3.3 классификации данный слой можно отнести к декомпозирующему архитектурному слою. Заметим также, что 0-ой уровень интеграции реализуется в микроконтроллерах устройств согласования, которые не входят в состав ВС БИСУ, поскольку они не отвечают в полной мере архитектурным требованиям п. 1…3 раздела 5.2. Однако эти микроконтроллеры сопрягаются с ВС БИСУ посредством стандартных интерфейсов (требование 6 раздела 5.2), и могут не только обмениваться через них данными, но и перепрограммироваться. Это обстоятельство позволяет рассматривать микроконтроллеры устройств согласования как расширение ВС БИСУ с ограниченными системным потенциалом, а объединение ВС БИСУ и микроконтроллеров устройств согласования – как расширенную ВС БИСУ (РВС БИСУ).

Вычислительные блоки 1-го уровня интеграции осуществляют обработку информационных потоков, поступающих с выходов драйверов. Как правило, блоки 1-го уровня интеграции реализуют алгоритмы комплексирования измерений разных датчиков с целью повышения достоверности оцениваемых по результатам измерений параметров, используемых в алгоритмах более высокого уровня интеграции. Так блок БВ11 реализует алгоритмы ориентации и навигации торпеды, в котором результаты решения задачи инерциальной навигации корректируются по измерениям датчиков глубины и скорости хода торпеды. Блок БВ12 обслуживает датчики и исполнительные элементы разового применения (например, пиропатроны) предварительно-исполнительного механизма, системы бортовой автоматики и энерго-движительного комплекса, не допускающих подачу на них ложных команд. Специфичным для данного блока, поэтому, является решение проблемы обеспечения алгоритмической надежности выдачи команд, в том числе, при сбоях в работе вычислительных компонентов и сбоях в передаче данных по информационным коммуникациям. Решение данной проблемы предполагает информационную избыточность, прежде всего, измерительной информации, полученной из разных источников сигналов, комплексирование которой позволяет выявить сбои и принять адекватные меры.

Вычислительные блоки 2-го уровня интеграции работают на объединении информационных потоков 1-го и других (0-го и 3-го) уровней интеграции. Блок БВ21 вырабатывает информационные потоки для управления рулевыми машинками, реализуя алгоритм управления угловым движением торпеды на основе измерений ее положения и управляющих сигналов, вырабатываемых блоком более высокого уровня интеграции БВ31. Блоки БВ22, БВ23, БВ24 корректируют измерения акустических и магнитной (электромагнитной) измерительных систем по навигационной информации, учитывая угловое положение и скорость хода торпеды, а также вырабатывают команды на излучение акустических (электромагнитных) зондирующих посылок с учетом этой информации.

Вычислительный блок БВ31, обрабатывая совместно навигационный, акустический, магнитный (электромагнитный) информационные потоки, поток разовых команд, и, вырабатывая соответствующие управляющие информационные потоки, реализует алгоритм управления торпедой в проблемных ситуациях. Связь всех блоков 2-го и 3-го уровней с навигационным блоком БВ11 не случайна и объясняется тем, что функционирование надсистемы “корабль-торпеда-цель”, всех ее компонентов и подсистем торпеды осуществляется в пространстве и времени. Поэтому, вся поставляемая в блок БВ31 и подлежащая комплексированию информация должна быть привязана к единой системе координат и синхронизирована во времени.

Информационный уровень архитектуры БИСУ (рисунок 5.8) можно рассматривать как развитие информационного уровня архитектуры электронной цифровой БСУ (рисунок 4.5). Основные архитектурные отличия БИСУ от электронной цифровой БСУ состоят в следующем:

- увеличен объем измерительной и управляющей информации, обмениваемой ВС БИСУ с ИИТ БИСУ, в частности с компонентами ПИМ, СБА и ЭДК (данная информация позволяет программно реализовывать и контролировать выполнение циклограммы функционирования торпеды и ее подсистем в полном объеме);

- объединены информационные каналы связи с внешней аппаратурой подсистем СУДТ и ССН, в частности канал связи с носителем и канал телеуправления;

- объединены верхние информационные уровни подсистем СУДТ и ССН в вычислительном блоке БВ31, в котором реализуется комплексный алгоритм, поглотивший задачи информационного обмена между этими подсистемами, задачи распознавания и селекции цели, самонаведения, логические алгоритмы, реализацию циклограммы функционирования торпеды и ее подсистем, и пр.

Из анализа информационного уровня архитектуры БИСУ следует, что степень ее алгоритмической преемственности с прототипом высокая, существенное алгоритмическое изменение (развитие) затронуло лишь верхние архитектурные слои в связи с введением нового комплексного алгоритма, внедрение которого стало возможным благодаря организации в ВС БИСУ единого информационного пространства.

В связи с архитектурными изменениями относительно прототипа изменился состав и физическая реализация подсистем БСУ. Все подсистемы БИСУ замыкаются на ВС БИСУ, их можно выделить в качестве комбинированных комплектов информационно-физических блоков, в состав которых входят использующие ресурсы и реализующиеся в РВС БИСУ информационные вычислительные блоки и физические компоненты ИИТ.

Приведем вариант состава информационно-физических подсистем БИСУ, соответствующий приведенным на рисунках 5.7 и 5.6 архитектурных схемам:

- комплексированная навигационная система (КНС), в ее состав входят вычислительные блоки БВ01, БВ02, БВ11 и физические устройства: блок БИЧЭ, датчики Ph, Pq, и соответствующие устройства согласования;

- система управления движением торпеды (СУДТ), включающая в свой состав КНС, вычислительные блоки БВ03, БВ21, рулевые машинки РМ и соответствующие устройства согласования;

- акустическая система измерений (параметров акустических неоднородностей) в дальней зоне торпеды (АСИ ДЗ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ06, БВ22, антенны тракта ПЛ Ан Пл и тракта КС Ан КС и соответствующие устройства согласования;

- акустическая система измерений (параметров акустических неоднородностей) в ближней зоне торпеды (АСИ БЗ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ07, БВ23, антенны тракта АДЦ и соответствующее устройство согласования;

- магнитометрическая (электромагнитная) система измерений (МСИ, либо ЭМСИ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ08, БВ24, антенны тракта МДЦ и соответствующее устройство согласования;

- система (анализа и управления состоянием) опасных цепей (СОЦ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ08, БВ09, БВ010, БВ12, датчики и исполнительные элементы Д ПИМ, Д СБА, Д ЭДК и соответствующие устройства согласования;

- система управления торпедой в проблемных ситуациях (СУТПС), включает в свой состав вычислительные блоки БВ04, БВ05, БВ09, БВ 010, БВ011, БВ12, БВ31, компоненты ПИМ, СБА, ЭДК и соответствующие устройства согласования.

Заметим, что теоретический задел, созданный и отработанный на практике на предшествующих этапу БИСУ этапах развития торпедных БСУ, обеспечивает алгоритмическую поддержку разработки данных подсистем БИСУ в достаточном объеме, за исключением подсистемы СУТПС. Внедрение этого задела на этапе электронных цифровых БСУ определило их функциональность и достигнутый при этом уровень боевой эффективности торпеды. Как следует из проведенного выше анализа, основной резерв дальнейшего расширения функциональности и повышения эффективности при ограничениях, налагаемых на расширение номенклатуры измерительных систем, лежит во внедрении СУТПС. Комплексирование информации, на котором основана работа этой системы, ранее не использовалось. Разработке этой системы посвящен специальный раздел настоящей работы.

Рассмотрим пример структуры БИСУ (рисунок 5.9), учитывающей конструктивные особенности торпеды УГСТ [Л 5.4], с архитектурой, соответствующей изображенным на рисунках 5.7 и 5.8 схемам.

В данном примере вычислительная система размещена в одном блоке и состоит из высокопроизводительного многопроцессорного вычислительного ядра и интерфейсных модулей (мостов), сопрягающих вычислительное ядро с интерфейсными шинами:

- связи с кораблем-носителем - Мост BUS-MIL1533;

- телеуправления - Мост UART1-ТУ;

- локальной (внутренней по отношению к аппаратурному модулю) шины последовательного интерфейса - Мост BUS-UART1;

- дискретного ввода-вывода - Мост UART1-Дв-в;

- внешней (внешней по отношению к аппаратурному модулю) шины последовательного интерфейса - Мост BUS-UART2.

Регистратор подключен к скоростной микропроцессорной параллельной шине вычислительного ядра, аналогично модулям: Мост BUS-MIL1533, Мост BUS-UART1 и Мост BUS-UART2, он имеет доступ ко всем циркулирующим в вычислительной системе информационным потокам.

В состав расширенной вычислительной системы входят дополнительно:

- микропроцессор устройства управления излучением-приемом;

- микроконтроллеры модулей БИЧЭ, измерителей Рh, магнитометров, измерителя скорости, модуля управления скоростью,

- микропроцессор кормового блока управления.

Все эти вычислительные устройства, за исключением микропроцессора устройства управления излучением-приемом, подключаются к вычислительному ядру через последовательные интерфейсы. Микропроцессор устройства управления излучением-приемом подключается к вычислительному ядру через скоростной Link-интерфейс, поскольку объем и скорость передачи акустической информации на несколько порядков превышает объем и скорость передачи по последовательному интерфейсу информации всех остальных трактов.

Особое место в структуре БИСУ занимает шина дискретного ввода-вывода. Она образована специально для подключения устройств, к которым предъявляются жесткие требования по защищенности от прохождения ложных команд, в частности, непосредственно к ней подключается предварительно-исполнительный механизм ПИМ. Еще одна шина для подключения устройств, к которым предъявляются жесткие требования по защищенности от прохождения ложных команд, формируется кормовым блоком управления. Она управляет блоком включения ПИМ и блоками включения пироустройств БВП1, БВП2 и БВП3, выполняющими функции выдачи исполнительных команд на различные элементы бортовой автоматики опасных цепей.

Всю структуру можно разбить в соответствии с обобщенной архитектурной схемой БИСУ (рисунок 5.3) на вычислительную сеть ВС БИСУ, воплощенную в блоке вычислительной системы, и следующие измерительно-исполнительные тракты ИИТ, состоящие из датчиков (Д), либо исполнительных механизмов (ИМ) и устройств согласования (УС).

1 Тракт инерциальной навигации и ориентации. Д – БИЧЭ. УС – Микроконтроллер.

2 Тракт измерения глубины. Д – Датчики Ph. УС – Микроконтроллеры.

3 Тракт измерения скорости. Д – Датчик оборотов. УС – Микроконтроллер.

4 Тракт управления РМ. ИМ – Рулевые машинки. УС – Микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением.

5 Акустический тракт ПЛ и НК. Д – Акустические антенны ПЛ и НК. УС – Устройство согласования с АА на базе микропроцессора.

6 Тракт акустического датчика цели в данном примере отсутствует.

7 Тракт магнитного датчика цели. Д – магнитометрические антенны. УС - Микроконтроллеры.

8 Тракт ПИМ. Д и ИМ – Д ПИМ1, Д ПИМ2, ПИМ. УС – БВ ПИМ и микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением.

9 Тракт бортовой автоматики опасных цепей. ИМ – пироустройства. УС – БВП1, БВП2, БВП3 и микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением.

10 Тракт управления скоростью ЭДК. ИМ – Скоростная рулевая машинка. УС – микроконтроллер.

Такая структурная реализация физического уровня архитектуры БИСУ продиктовано конструктивными требованиями к размещению датчиков и исполнительных механизмов в корпусе торпеды, образующими те “коммуникативные окна”, через которые БИСУ в торпеде обменивается информацией и воздействиями с внешней средой. Размещение в конструкции торпеды этих “коммуникативных окон” и информационная плотность протекающих через них информационных потоков определяет топологию вычислительно-информационных коммуникаций БИСУ. Максимальное приближение к датчикам и исполнительным механизмам периферийных вычислительных устройств, позволяет применить стандартные интерфейсы и минимизировать длину и число линий (оптимизировать конструкцию) информационных коммуникаций, соединяющих эти устройства с вычислительными ядрами вычислительной сети.

Вычислительные ядра ВС БИСУ располагается вблизи “коммуникативных окон”, через которые протекают информационные потоки с наибольшей плотностью, поскольку сложность реализации интерфейсов растет с ростом плотности протекаемых через них информационных потоков. Так, для передачи данных со скоростью до 10…30 Мбит/с применим компактный последовательный интерфейс RS-485 (витая пара проводов), широко используемый в структурной схеме БИСУ, изображенной на рисунке 5.9, позволяющий подключение к нему несколько десятков абонентов с удалением от вычислительного ядра до нескольких десятков метров. При передаче информации со скоростью 500 и более Мбит/с, как в случае обслуживания акустического тракта ПЛ и НК, применяются более сложные интерфейсы (например, LVDS), допускающие удаление от вычислительного ядра всего на доли и единицы метров. Рассмотренный вариант структуры БИСУ (рисунок 5.9) содержит единственное, реализуемое в виде акустических антенн ПЛ и НК, “коммуникативное окно” с высокой плотностью прохождения через него информации, поэтому вся ВС БИСУ концентрируется вблизи него в блоке вычислительной системы.

Blog

Содержание