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

Вид материала

Документы

Содержание 3.3 Архитектурный анализ электронных аналоговых БСУ 4.1 Историческая справка Проблема обеспечения высокого уровня надежности результата торпедного выстрела

Подобный материал:

• Кеннет Бийр Суда-ловушки против подводных лодок: секретный проект Америки, 8429.43kb.
• Тые годы прошлого века погибла одна из подводных лодок нашего флота, я узнал ещё, 487.36kb.
• Обзор материалов прессы, 480.67kb.
• И в области противодействия их незакон, 693.27kb.
• Hawk Происхождение «Черного Ястреба», 175.35kb.
• Многие воспитательные задачи наиболее успешно решаются при использовании средств эмоционального, 1381.57kb.
• Р. Р. Кадырова о состоянии работы по линии противодействия незакон, 86.85kb.
• Вид работ №30 «Монтаж, демонтаж строительных конструкций в подводных условиях», 16.72kb.
• Комплексное применение информационно-волнового метода физиотерапии на различных этапах, 570.75kb.
• Отчет ОАО «скбк», 35.27kb.

^ 3.3 Архитектурный анализ электронных аналоговых БСУ


Проведем архитектурный анализ электронной аналоговой БСУ, для чего ее структурную схему представим в виде архитектурной схемы (рисунок 3.8), предварительно раскрыв подсистемы БСУ, показав основные их компоненты: датчики, исполнительные механизмы, устройства согласования и решающие устройства.



На схеме вертикальные поля объединяют компоненты в подсистемы, горизонтальные поля (слои) – в устройства преобразования полей и сигналов, принадлежащие разным типам:

- преобразователи внешних по отношению к БСУ физических полей в электрические сигналы и обратно (тип устройств - датчики и исполнительные механизмы),

- устройства согласования - преобразующие ненормированные электрически сигналы в нормированные (воспринимаемые решающим устройством), и наоборот - преобразующие нормированные сигналы, вырабатываемые решающим устройством в команды, воспринимаемые исполнительными устройствами,

- преобразователи нормированных сигналов в соответствии с заданными алгоритмами (тип - решающие устройства).

По вертикали слева отражена физическая основа представленных компонент, по горизонтали снизу – физические поля.

Из сравнения архитектурных схем механической и электронной аналоговой БСУ следует, что на данном этапе в развитии БСУ произошли качественные изменения. Архитектура электронной аналоговой БСУ “расширилась” за счет введения новых подсистем ССН и неконтактного ДЦ, работа которых основана на применении новых физических полей - акустического и электромагнитного (магнитного) соответственно, а также “возросла” (число слоев увеличилось с 2-х до 4-х) за счет внедрения устройств аналоговой электроники, разработанных на новой технологической основе и межсистемных электрических связей. Отметим, что межсистемные связи между подсистемами осуществляются лишь на уровне решающих устройств, за исключением случаев, когда в подсистемах решающие устройства отсутствуют.

Аналоговая электроника, информационная плотность которой существенно выше информационной плотности механической среды, естественным образом сосредоточила в себе реализацию основного объема бортовых алгоритмов, оставив остальным компонентам функции преобразования физических полей в электрические сигналы и обратно. Однако, эффективное ее применение, предполагающее унифицированный и надежный подход к созданию решающих устройств, потребовало выделения части затрат ее электронных ресурсов на устройства согласования. Учитывая, что мы анализируем архитектуру систем, отшлифованных жестким фильтром эволюции, можно утверждать, что эти “накладные расходы” оказались крайне выгодными. Альтернативное решение заключалось в создании под каждый конкретный случай своего оригинального решающего устройства, поглощающего устройства согласования. Известно, что часто такое решение с точки зрения затрат только на электронные ресурсы оказывается выгоднее, но, по совокупности затрат, в которой учитываются затраты на обеспечение надежности, независимости от уникальности разработчика, придания свойства “гибкости” и пр., фильтр эволюции выбрал схему с устройствами согласования. Объяснение этому следующее. Введение устройств согласования позволяет декомпозировать основные технологии создания БСУ на независимые друг от друга технологии создания преобразователей физических полей в электрические сигналы и обратно и технологии создания решающих устройств. Подходы к созданию решающих устройств, при этом, за исключением частных случаев, не зависят от подсистем, ради которых они создаются и физических полей, используемых подсистемами. А обеспечение независимости технологий при технологической декомпозиции процесса создания БСУ работает на улучшение динамики системы РЭСТ, на что и “настраивается” фильтр эволюции. Здесь и далее вспомогательные слои, аналогичные слою устройств согласования, будем называть декомпозирующими слоями, а соответствующие (входящие в них) компоненты – декомпозирующими компонентами.

С внедрением в БСУ решающих устройств развитие архитектуры БСУ определяется развитием архитектуры применяемых в них решающих устройств и связей между ними. Проанализируем архитектуру электронных аналоговых решающих устройств.

Технология разработки электронных аналоговых решающих устройств базируется на теории АВМ [Л3.12]. Основная концепция этой теории состоит в создании электронного аналога исследуемого процесса на базе ограниченной номенклатуры универсальных электронных компонентов. Наиболее сложным и широко применяемым в АВМ базовым универсальным компонентом является операционный усилитель. На его основе создаются операционные звенья, реализующие простейшие операторы, затем на их основе – вычислительные схемы, реализующие сложные вычислительные процессы. Операционные звенья при этом образуются подключением к операционному усилителю цепочек прямых и обратных связей, состоящих из малого конечного набора простейших пассивных радиоэлементов. Вычислительные схемы формируются посредством соединения между собой операционных звеньев. Технология воспроизведения операционных звеньев и вычислительных схем детально разработаны и формализованы до тривиальных операций.

Своей широчайшей популярности и выживанию в процессе эволюции АВМ на рассматриваемом этапе развития БСУ обязаны двум обстоятельствам. Первое, удачной декомпозиции аналогового решающего устройства, представляющего собой сложную техническую систему, позволившей номенклатуру сложных компонентов, применяемых при воспроизведении вычислительной схемы АВМ, свести всего к одному универсальному – операционному усилителю, все остальные декомпозированные компоненты вычислительной схемы - простейшим. Это обусловило бурное развитие электронных технологий создания базисных элементов решающих устройств. В частности, операционные усилители стали самыми популярными компонентами (сначала в виде моноблоков, микросборок, затем микросхем), производимыми электронной промышленностью, а электронная составляющая технологии разработки аналоговых решающих устройств на практике свелась лишь к корректному их применению. Второе обстоятельство - технология воспроизведения на базе операционных усилителей операционных звеньев и вычислительных схем (а значит и создания решающего устройства в целом) свелась к реализации заданного алгоритма путем формирования системы связей (структурирования) из стандартных элементов небольшой номенклатуры. Т.е. технология создания аналогового решающего устройства декомпозировалась на технологии структурирования и на чисто электронные технологии, имеющие свою специфическую направленность, развивающиеся на обширном пространстве электронных применений, выходящих далеко за рамки рассматриваемой здесь проблематики, и поэтому оформившиеся в самостоятельное направление техники. Благодаря этому с разработчика аналогового решающего устройства был снят груз по созданию специфических электронных приложений. В конечном счете, технология создания аналогового решающего устройства перестала быть уникальной, что имело место на начальном этапе ее становления, и стала доступной на инженерном (массовом) уровне.

Универсальность базового элемента придает потенциал универсальности всему решающему устройству (рисунок 3.9), который, однако, ослабевает по мере реализации каждого уровня многоуровневой системы связей, воплощающей информационную составляющую, продиктованную заданным алгоритмом. Остаточный после реализации всей системы связей потенциал универсальности трансформируется в свойство гибкости решающего устройства, позволяющее осуществлять настройку в процессе его экспериментальной отработки и эксплуатации. Свойство гибкости аналогового решающего устройства в составе БСУ достигается благодаря избыточности универсальных элементов и конструктивными решениями, ориентированными на обеспечение технологичности доступа к ним и связям между ними, которые могут быть подвергнуты изменению при агрегировании и экспериментальной отработке системы. Таким образом, универсальность выступает как необходимое условие обеспечения гибкости решающего устройства, и соответственно - гибкости подсистем БСУ и БСУ в целом. Технические решения, обеспечивающие свойство гибкости, можно отнести к средствам обеспечения принципа “принципа независимости” декомпозированных компонентов сложной технической системы, поскольку ошибки, неизбежно допускаемые при декомпозиции сложной технической системы, в пределах, определяемых степенью ее гибкости, могут быть устранены на этапе ее экспериментальной отработки без значимых (для всего процесса разработки БСУ) временных и материальных затрат.




Объекты, приведенные на схеме (рисунок 3.9), объединены в группы (элементы, функциональные группы, сборки, устройства) и размещены по возрастанию сложности снизу-вверх. На нижнем уровне иерархии отражено все множество несвязанных между собой вычислительных элементов решающего устройства, несущее его вычислительный потенциал. Реализация конкретного алгоритма заключается в коммутации посредством электрических соединений элементов между собой. Каждому из потенциально реализуемых алгоритмов соответствует своя система электрических связей. Число и номенклатура вычислительных элементов и допустимых электрических связей между ними (число степеней свободы несвязанных между собой элементов) определяют информационный потенциал решающего устройства и множество потенциально реализуемых в нем алгоритмов. Заметим, что для увеличения информационного потенциала решающего устройства необходимо увеличивать число вычислительных элементов, а, следовательно, его габариты.

Процесс разработки системы связей, соответствующей заданному алгоритму сложен сам по себе, поэтому он выполняется поэтапно (вся система связей декомпозируется на подсистемы связей). На схеме отражено три уровня объединения объектов. На уровне функциональных групп образуются объекты - операционные звенья, реализующие простые вычислительные функции (алгебраическое суммирование, интегрирование, фильтрацию, и пр. функции), выполняемые в реальном масштабе времени. Число и номенклатура операционных звеньев и допустимых электрических связей между ними (число степеней свободы на уровне операционных звеньев) меньше, чем на уровне несвязанных между собой элементов. На уровне сборок образуются два объекта. Один – операционная схема, реализующая все вычислительные функции решающего устройства. Второй - релейный автомат, реализующий ветвления (условные переходы) по анализируемым в нем событиям и временным интервалам. Число и номенклатура объектов и допустимых электрических связей между ними еще уменьшается. Объединением этих двух объектов является само решающее устройство (уровень устройств), система связей которого однозначно определена (за исключением связей, определяемых степенью гибкости решающего устройства).

Таким образом, максимальная степень универсальности, характеризуемая числом потенциально реализуемых алгоритмов, проявляется на нижнем уровне иерархии (на множестве не связанных между собой вычислительных элементов). Число возможных систем связей при этом максимально, потенциально реализуемое алгоритмическое разнообразие существенно превышает необходимое. На каждом из этапов реализации конкретной системы связей (образования новых объектов путем объединения объектов нижних уровней иерархии) степень универсальности понижается. На уровне устройств она практически отсутствует.

Электронное аналоговое решающее устройство, обладая большой информационной плотностью, сосредотачивает в себе подавляющую часть всей информационной составляющей подсистемы, и может обслуживать несколько функций БСУ, например, - функции каналов глубины, дифферента, курса и крена, как в подсистеме управления угловым положением торпеды. В этом случае осуществляется интеграция каналов на конструктивном уровне. Конструктивная интеграция способствует алгоритмической интеграции. В рассматриваемом примере, в частности, алгоритмически интегрированы каналы дифферента и глубины, а также каналы курса и крена. В этой части подсистема БСУ управления угловым движением торпеды является интегрированной.

Заметим, что информационный потенциал и система связей должны обеспечивать помимо боевых алгоритмов, все технологические алгоритмы, поддерживающие функционирование БСУ на всех этапах ее отработки, контроля и эксплуатации. Поскольку увеличение информационного потенциала влечет за собой пропорциональное увеличение габаритов электронного аналогового решающего устройства, сложность технологических алгоритмов резко ограничивается, что отрицательно сказывается, в частности, на глубине контроля БСУ, и, в конечном счете, на надежности выстрела торпеда. Очевидно, существует компромисс между сложностью функциональных и технологических алгоритмов, который должен учитывать помимо габаритных ограничений, налагаемых на решающее устройство, ограничения информационного потенциала функциональных алгоритмов.


3.4 Выводы


1 Основной характеристикой торпеды, определяющей ее боевую эффективность, как и для механических БСУ, является эффективная дальность стрельбы.

2 Слабым звеном в цепи основных торпедных систем, как и для механических БСУ, остается БСУ.

3 Внедрение электронных технологий позволило создавать бортовые аналоговые решающие устройства с существенно более высокой информационной плотностью, чем в их механических аналогах, что, в свою очередь, дало возможность повысить информационный потенциал БСУ и ее надсистем и внедрить более сложные и совершенные алгоритмы. Все это обусловило качественный скачок в развитии надсистем БСУ, выразившийся в следующих структурных их изменениях.

Структура надсистемы “корабль-торпеда-цель” дополнилась:

- информационной связью между торпедой и кораблем-целью, осуществляемой по акустическому каналу, чувствительного к воздействию естественных и искусственных помех,

- средствами ГПД, применяемыми кораблем-целью для зашумления и искажения акустического канала,

- информационной связью между атакующим кораблем и торпедой, осуществляемой посредством канала ТУ.

Структура надсистемы эволюции торпед дополнилась еще одним эволюционирующим классом объектов – средствами ГПД. Средства ГПД – автономные, недорогие (существенно дешевле торпеды) приборы, применяемые кораблем-целью и функционирование которых направлено на уменьшение эффективной дальности стрельбы атакующей торпеды (несимметричный ответ). Обновленная система эволюции выдвигает более жесткие, чем на этапе механических БСУ, требования к динамичности системы РЭСТ.

Основным структурным элементом, обусловливающий качественный скачок динамичности надсистемы РЭСТ, является локальная обратная связь по качеству алгоритмов функционирования БСУ, реализуемая на этапе проектирования алгоритмов посредством стандартных (АВМ) и нестандартных электронных средств.

4 Развитие надсистемы “корабль-торпеда-цель” взаимообусловлено с развитием основной составляющей функциональности БСУ. На данном этапе она дополнилась возможностью самонаведения по данным ССН на корабль-цель в условиях помех, создаваемых его средствами ГПД, по априорной информации о возможном положении корабля-цели, формируемой атакующим кораблем и корректируемой в процессе хода торпеды по каналу ТУ, а также возможностью дистанционного подрыва БЗО при прохождении торпеды вблизи корабля-цели.

5 Развитие надсистемы РЭСТ взаимообусловлено с развитием с вспомогательной составляющей функциональности БСУ. На данном этапе развитие вспомогательной составляющей функциональности БСУ проявилось в увеличении объема и точности бортовых измерений, регистрируемых на магнитных информационных носителях, плотность хранения информации которых на несколько порядков выше, чем на бумажных носителях, применяемых ранее в механических БСУ. Такой качественный скачок в бортовых измерениях и регистрации позволил реализовать связь звеньев Э2 и П3 в процессах разработки и экспериментальной отработки алгоритмов функционирования БСУ (рисунок 3.7), работающую на совершенствование теоретико-экспериментальной модели функционирования БСУ, лежащей в основе реализации локальной обратной связи системы РЭСТ по качеству алгоритмов.

6 Развитие архитектуры БСУ на данном этапе протекает “вширь” и “ввысь”.

“Вширь” – за счет внедрения новых подсистем, расширяющих номенклатуру используемых в них физических полей, которая дополнилась акустическим, электромагнитным (магнитным) и информационными полями. “Ввысь” – за счет внедрения аналоговых решающих устройств, расширяющих номенклатуру типов и физических основ компонент подсистем электронной аналоговой БСУ.

Датчики и исполнительные механизмы в отличие от своих аналогов в механических БСУ представляют собой автономные устройства и объединяются в архитектурный слой, осуществляющий коммуникативные связи электронной бортовой аппаратуры с внешней средой. В электронных аналоговых БСУ проявились также новые архитектурные слои:

- слой межсистемных электрических связей, реализуемый посредством проводников и соединителей (кабельная сеть),

- слой устройств согласования, реализуемый преимущественно средствами аналоговой электроники.

Слой устройств согласования (так называемый декомпозирующий слой) выступает в качестве нового специфичного компонента сложной технической системы, основное назначение которого непосредственно не связано с формированием функциональности БСУ. Его смысл – обеспечить независимость (системную развязку) функциональных архитектурных слоев, в частности, слоя датчиков и исполнительных механизмов и слоя решающих устройств.

7 Архитектуру электронного аналогового решающего устройства можно представить в виде архитектурных слоев универсальных элементов, например, слоя операционных усилителей, и многоуровневой системы связей, в которой “закодирована” информационная составляющая БСУ. Информационная составляющая БСУ включает в себя боевой алгоритм функционирования БСУ, алгоритмы встроенного контроля, и пр. технологические алгоритмы, необходимые для обеспечения всего цикла эксплуатации торпед. Электронное аналоговое решающее устройство можно рассматривать как электронный аналог информационной составляющей БСУ.

По этой причине электронному аналоговому решающему устройству присущи следующие недостатки. Первый, оно является специализированным, т.е., в случае необходимости изменения реализованных в нем алгоритмов необходимо осуществить заново коммутацию жестко скоммутированных посредством системы связей универсальных элементов, что влечет за собой переделку, по существу, конструкции решающего устройства. Второй, в электронном аналоговом решающем устройстве число универсальных элементов и связей между ними, а, следовательно, и его габариты, напрямую зависят от сложности бортовых алгоритмов. Это обстоятельство (при ограничениях на габариты бортового решающего устройства) ведет к ограничению сложности как боевых алгоритмов, так и алгоритмов встроенного контроля БСУ.

8 Неопределенность информационной составляющей, имеющаяся на этапе проектирования алгоритмов, может быть в ограниченных объемах устранена на этапе морских испытаний с малыми затратами благодаря свойству гибкости электронного аналогового решающего устройства. Это свойство реализуется посредством обеспечения технологичности доступа к ограниченному числу заранее предусмотренных компонентов решающего устройства.


4 Анализ эволюции БСУ на этапе электронных цифровых БСУ

(середина 1970-х - середина 1990-х годов)


^ 4.1 Историческая справка


Выход электронных технологий на новый качественный уровень, характеризуемый высокими нормами проектирования микросхем малой, затем средней и большой степени интеграции, привел не только к увеличению информационной плотности бортовой электронной аппаратуры, но и к новым принципам ее организации, принципиально отличающейся от организации аналоговых решающих устройств. Эти новые принципы продиктованы уникальным изобретением человечества - процессором, являющимся, по существу, программно-управляемым универсальным операционным звеном. Применение процессора позволяет декомпозировать электронное решающее устройство на физическую (содержащую вычислитель) и информационную (программы для вычислителя) составляющие. Причем программа для вычислителя как продукт чисто информационный обладает идеальным свойством гибкости. Изменение программы не требует изменений в электронных схемах вычислителя, поэтому затраты на доработку программы – незначимые по сравнению с затратами на доработку электронного аналогового решающего устройства. Именно это обстоятельство привело к вытеснению процессором аналоговой электроники из ниши бортовых решающих устройств.

В результате все передовые торпеды в анализируемый период времени создаются на базе бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), сначала однопроцессорных, а с появлением микропроцессоров - многопроцессорных. Это американские торпеды МК46 мод.5 (1979 г.), МК48 мод.3-5 (1975-1988 г.г.), английские торпеды "Стингрей" (1983 г.), МК24 или "Тайгерфиш" мод.2 (1985г.), "Спирфиш" (1987 г.) [Л4.1], отечественная ракета-торпеда "Орел" (1990 г.), французская торпеда "Мурена" (1993 г.) [Л4.2] и пр. Основные достижения, по которым можно проанализировать функциональность БСУ на данном этапе ее развития, концентрированно отразились в БСУ торпеды "Мурена".

Торпеда "Мурена" калибра 324 мм (дальность хода до 10 км, радиус реагирования ССН - 1700 м) содержит четыре акустических антенны: традиционную впереди, две боковых и одну, направленную вниз. Обработка данных в ССН торпеды "Мурена" осуществляется тремя микропроцессорами "Моторола 68000" (производительностью 50 млн. оп/с.). С их помощью распознается ложная цель, обеспечивается обнаружение тихоходной и двух близко расположенных целей. Анализируется скорость, направления движения, длина цели, дистанция до цели, а также мощность сигнала по 12 посылкам. При необходимости осуществляется дальнейшая, более детальная обработка информации, включающая анализ траектории движения цели (отслеживается до двух целей одновременно). Система управления движением включает в себя четыре процессора "Моторола 68000". Они работают параллельно, исчисляя координаты по данным датчиков инерциальной навигационной системы, управляя рулевыми машинками и обменом данными между системами, и обеспечивают выполнение сложных алгоритмов управления. В частности, в системе реализован алгоритм атаки цели, предусматривающий сначала обзор ее на параллельном курсе с помощью антенн бокового обзора, а затем поворот к цели и атаку ее в оптимальном месте под углом, обеспечивающим высокую эффективность кумулятивного заряда боевой части.

Все устройства бортовой системы современных торпед, сосредотачиваются в двух отсеках: отсеке системы управления движением и отсеке самонаведения. Это обусловлено тем, что борт торпед строится вокруг двух БЦВМ, являющихся ядрами соответственно двух систем: управления движением и самонаведения. Таким образом, номенклатура функциональных подсистем электронных цифровых БСУ относительно электронных аналоговых БСУ не изменилась, но функциональность их усовершенствовалась, усложнились бортовые алгоритмы.

^ Проблема обеспечения высокого уровня надежности результата торпедного выстрела остается актуальной и на данном этапе развития, поскольку сложность БСУ растет. Но концепция обеспечения надежности, связанная с контролем, не изменяется. Соответственно росту сложности БСУ увеличивается и глубина ее контроля, реализация которого, благодаря более высокой информационной плотности процессорной основы БСУ, требует меньших габаритов, чем реализация в БСУ на электронной аналоговой основе. Это гарантирует достижимость более высокого уровня надежности электронных цифровых БСУ, чем аналоговых.

С внедрением в процесс проектирования цифровых вычислительных машин (ЦВМ) методы оценки боевой эффективности совершенствуются, сохраняя принятую на этапе электронных аналоговых БСУ концептуальную направленность (использование для этих целей методов статистического моделирования процессов управления-самонаведения торпеды на типовом множестве сценариев). Однако моделирование осуществляется уже с применением ЦВМ, позволяющих автоматизировать процесс генерации множества сценариев и увеличить их число, придав результатам статистического моделирования более достоверный характер.

Таким образом, широкое внедрение цифровой вычислительной техники, как в процесс проектирования БСУ, так и в процесс разработки бортового программного обеспечения, в котором концентрируется информационная составляющая всей БСУ, позволило расширить границы допустимой сложности БСУ и улучшить ее функциональность.