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

Вид материала

Документы

Содержание 4.2 Структурный анализ электронных цифровых БСУ 4.3 Архитектурный анализ электронных цифровых БСУ

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.

^ 4.2 Структурный анализ электронных цифровых БСУ


На данном этапе развития элементного базиса цифровая процессорная электроника широко внедряется во все компоненты надсистемы “корабль-торпеда-цель” и бортовые торпедные системы. В связи с этим информационные технологии внедряются не только в технологии проектирования БСУ, существенно повышая их информационный потенциал, но и вовлекают в свою орбиту средства акустического противодействия, делая их более “интеллектуальными” и менее дорогостоящими. В результате типовой сценарий торпедной дуэли усложняется в части организованного целью акустического противодействия, соответственно структура надсистемы БСУ “корабль-торпеда-цель” также усложняется (рисунок 4.1).


Рисунок 4.1 Структурная схема надсистемы электронной цифровой БСУ

“корабль-торпеда-цель”


Идеология осуществления группового залпа, применяемого в случае большой степени неопределенности области возможного положения цели, разработанная на этапе электронных аналоговых БСУ, сохранилась. Новой функцией, “делегируемой” надсистемой торпеде, стала функция поиска и распознавания цели в автоматическом режиме на фоне нескольких организованных помех. В связи с расширенной функциональностью электронной цифровой БСУ состав задач, решаемых ею в интересах надсистемы “корабль-торпеда-цель”, также расширился:

1) вывод торпеды по заданной траектории (рассчитанной на атакующем корабле и безопасной для него) в область обнаружения цели ССН,

2) поиск цели,

3) обнаружение целеподобного объекта,

4) слежение и распознавание (идентификация цели) целеподобного объекта,

5) самонаведение торпеды на цель, если целеподобный объект идентифицирован как цель, либо продолжение поиска цели,

6) в случае прямого попадания торпеды в цель, либо небольших промахов - осуществление подрыва боевого заряда,

7) в случае промахов, при которых подрыв боевого заряда не в состоянии нанести ощутимого ущерба цели – осуществление повторного поиска цели.

В задачах 1…5 и 7 управление торпедой может корректироваться по каналу телеуправления. Структурная схема электронной цифровой БСУ, обеспечивающая решение перечисленных задач представлена на рисунке 4.2.




Перевод БСУ с аналоговой на цифровую основу не изменил номенклатуру и функциональную направленность основных подсистем БСУ. При декомпозиции электронных цифровых БСУ на подсистемы, как и на этапе электронных аналоговых БСУ, применяется функционально-конструктивный принцип.

Структура системы регистрации, блока автоматики и неконтактного взрывателя в целом осталась без изменений, их совершенствование и улучшение характеристик осуществлялось лишь за счет применения аналоговых радиоэлементов с увеличенной степенью интеграции и улучшенными характеристиками. Структура же основных систем СУДТ и ССН изменились кардинально благодаря введению в их основу БЦВМ.

Поскольку внедрение БЦВМ сопровождается внедрением информационного продукта – бортового программного обеспечения, подсистемы БСУ, содержащие БЦВМ декомпозируется не только на физическом уровне (подсистемы, блоки и устройства), но и на информационном уровне – на информационные подсистемы и блоки. Физические и информационные блоки могут объединяться в смешанные по своей природе информационно-физические системы с функциональностями, диктуемыми соответствующими надсистемами. К таким системам и относятся СУДТ и ССН. Варианты их укрупненных комбинированных структурных схем приведены на рис. 4.3.



На рисунке прямоугольниками обозначены физические блоки и устройства, кружками – информационные блоки. В состав физических блоков СУДТ входят БЦВМ СУДТ, датчики, исполнительные механизмы и устройства согласования:

- блок датчиков угловых скоростей (Блок ДУС), состоящий из трех датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности,

- блок акселерометров (Блок Акс), состоящий из трех акселерометров с взаимно ортогональными осями чувствительности,

- датчик глубины (Д гл), физически представляющий собой датчик статического давления,

– датчик скорости (Д ск), физически реализуемый либо в виде датчика оборотов винта двигателя энерго-движительного комплекса (ЭДК) торпеды, либо – датчика полного давления, либо – датчика скоростного напора,

- рулевые машинки (РМ) привода рулей,

- скоростная машинка (СМ), управляющая расходом топлива двигателя ЭДК, и как следствие – скоростью торпеды,

- устройства согласования (УС), наименования УС соответствует наименованию датчиков и исполнительных механизмов,

- устройство согласования с внешней аппаратурой (ВА).

В состав физических блоков ССН входят БЦВМ ССН и:

- антенное устройство дальней зоны (АУ ДЗ), озвучивающее и принимающее акустические сигналы с переднего полупространства (по ходу торпеды),

- антенное устройство кильватерного следа (АУ КС), озвучивающее и принимающее акустические сигналы с верхнего полупространства (по ходу торпеды),

- приемно-передающее устройство дальней зоны (ППУ ДЗ), осуществляющее преобразования информационного потока БЦВМ в импульсы зондирующей посылки, воспринимаемые АУ ДЗ, и обратно в информационный поток акустических сигналов, преобразованных АУ ДЗ в напряжения,

- приемно-передающее устройство кильватерного следа (ППУ КС), осуществляющее аналогичные ППУ ДЗ функции, но для озвучивания и обнаружения кильватерного следа.

Обе системы подключаются к внешней по отношению к ним аппаратуре (к блоку автоматики, системе регистрации, каналу телеуправления, друг к другу, и т.д.) через устройства согласования с внешней аппаратурой (УС ВА).

Все множество информационных блоков в обеих системах делятся на подмножества блоков вычислительных (БВ), принадлежащие разным уровням. Номер уровня в обозначении БВ отражен первым индексом. На нулевом уровне расположены вычислительные блоки, осуществляющие обработку измерений, либо управление исполнительными механизмами непосредственно. На первом и втором уровнях размещаются вычислительные блоки, объединяющие (интегрирующие) информационные потоки 0-го и 1-го уровней соответственно. Заметим, что блоки 1-го и 2-го уровней работают с, так называемыми, вторичными информационными потоками данных и управления - потоками, не имеющими непосредственного выхода на внешнюю по отношению к БЦВМ аппаратуру. Следует также отметить, что один вычислительный блок может использовать ресурсы нескольких микропроцессоров, либо часть ресурсов одного микропроцессора, т.е. в приведенной структурной схеме (рисунок 4.3) отражается лишь номенклатура функционально законченных вычислительных блоков, и не отражается их распределение по процессорам.

В СУДТ:

- блок БВ01 осуществляет учет систематических погрешностей измерений ДУС и акселерометров, а также решает задачу ориентации торпеды,

- блок БВ02 осуществляет учет систематических погрешностей измерений датчика глубины хода торпеды,

- блок БВ03 осуществляет учет систематических погрешностей измерений датчика скорости хода торпеды,

- блок БВ04 решает задачу управления РМ,

- блок БВ05 решает задачу управления СК,

- блок БВ06 реализует информационную часть интерфейса СУДТ с внешней по отношению к ней аппаратурой,

- блок БВ11 решает задачу навигации торпеды, в которой результаты решения задачи инерциальной навигации корректируются по измерениям датчиков глубины и скорости хода торпеды,

- блок БВ12 решает задачу управления угловым движением торпеды,

- блок БВ21 решает задачу реализации схемы действия торпеды в части СУДТ.

В ССН:

- блок БВ01 реализует информационную часть интерфейса ССН с внешней по отношению к ней аппаратурой,

- блок БВ02 решает задачу управления излучением зондирующих посылок в канале ДЗ,

- блок БВ03 решает задачу предварительной обработки акустических данных в канале ДЗ,

- блок БВ04 и БВ05 решают аналогичные блокам БВ02 и БВ03 задачи, но в канале КС,

- блок БВ11 и БВ12 осуществляют управление излучением-приемом и вторичную обработку акустической информации (выделение цели на фоне помех) для каналов ДЗ и КС соответственно,

- блок БВ21 реализует управление траекторным движением торпеды (БВ21.1) и логический алгоритм работы ССН (БВ21.2).

Вычислительные блоки 1-го и 2-го уровней иерархии интегрируют в себе вторичные информационные потоки, т.е. в основе их функционирования лежат интегрированные алгоритмы, функционирование которых предполагает объединение (интеграцию) входных информационных потоков. На 0-м уровне – интеграция потоков может отсутствовать, но чаще всего она имеет место, поскольку современные измерительные датчики, как правило, многоканальные. Например, современный торпедный блок ДУС содержит не менее 3-х каналов ДУС (обеспечивающих три ортогональных оси чувствительности) и несколько каналов температуры для компенсации систематических погрешностей измерения угловых скоростей, зависящих от температуры в каналах ДУС. Аналогичным образом обстоит дело с блоком акселерометров. Датчики давления, применяемые в каналах измерения глубины и скоростного напора, также содержат помимо каналов измерения давления измерительные температурные каналы для компенсации систематических составляющих погрешностей измерений давления, зависящих от температуры. Таким образом, иерархические уровни размещения вычислительных блоков на рисунке 4.3 являются в то же время уровнями интеграции информационных потоков. На объединении информационных потоков, осуществляемом в вычислительных блоках, реализуются интегрированные алгоритмы.

Покажем на примере разбивки СУДТ на подсистемы, что один и тот же физический или информационный блок может быть системообразующим сразу для нескольких подсистем. В СУДТ можно выделить следующие основные подсистемы:

- угловой ориентации (УО), в состав которой входят физические и информационные блоки: УО = Блок ДУС + УС ДУС + БВ01 + Блок Акс + УС Акс (последние 2 блока включены для учета систематических погрешностей измерений ДУС от перегрузок),

- навигации торпеды (НТ), с основным каналом инерциальной навигации, комплексированным с каналами глубины и скорости, в состав которой входят физические и информационные блоки: НТ = УО + Д гл + УС Д гл + БВ02 + Д ск + УС Д ск + БВ03 + БВ11,

- управления угловым (УУ) положением торпеды, в состав которой входят физические и информационные блоки: УУ = УО + РМ + УС РМ + БВ04 + БВ12,

- управления траекторным (УТ) движением торпеды, в состав которой входят физические и информационные блоки: УТ = НТ + УУ + БВ21.1,

- управления логикой (УЛ) работы СУДТ, в состав которой входят физические и информационные блоки: УЛ= НТ + УТ + СМ + УС СМ + БВ05 + УС ВА + БВ06 + БВ21.2.

Таким образом, каждая из систем СУДТ и ССН являются интегрированными как на физическом, так и на информационном уровнях, поскольку одни и те же физические и информационные блоки входят в разные подсистемы.


Структура надсистемы БСУ эволюции торпед (рисунок 3.4), обусловливающая требования к динамичности системы РЭСТ, сохранилась. Но актуальность проблемы информационного противостояния торпедных БСУ и средств ГПД (по мере совершенствования ССН) не только не снизилась, но и возросла. Развитие БСУ и средств ГПД основывается на одном и том же элементном базисе, поэтому совершенствование функциональности БСУ всегда вызывает адекватную реакцию в области совершенствования средств ГПД, и наоборот. Этот взаимообусловленный процесс придает динамике развития БСУ постоянно напряженный характер и ужесточает требования к динамичности системы РЭСТ.

Система РЭСТ (рисунок 3.6), являющаяся надсистемой БСУ, и процесс разработки и экспериментальной отработки алгоритмов функционирования БСУ (рисунок 3.7), диктующие требования к вспомогательной составляющей функциональности БСУ, структурно не изменились. В связи с внедрением ЦВМ изменилось лишь содержание их звеньев, в частности, - звеньев П4…П6 (рисунок 3.7), предполагающих на этапе электронных аналоговых БСУ разработку электронных аналогов алгоритмов функционирования БСУ и среды их функционирования, а также имитацию функционирования системы “корабль-торпеда-цель” в целом. В отличие от электронного аналога в основу моделирования на ЦВМ положен принцип создания информационного аналога исследуемой системы и изучения протекающих в нем процессов, которые аналогичны реальным. При этом из технологической цепочки моделирования исключается звено работы с электронным аналогом исследуемой системы со всеми процедурами перехода из информационной пространства в электронное и обратно. Моделирование при этом сводится к математическому описанию моделируемых процессов и имитации протекания этих процессов посредством численных методов, реализуемых непосредственно в информационном пространстве ЦВМ. Это дает возможность моделировать более сложные процессы с существенно меньшими затратами, чем в аналоговом варианте, и получать при этом более близкие к реальности результаты.

С внедрением ЦВМ произошел также качественный прорыв в решении проблемы повышения достоверности применяемых в разработке БСУ математических моделей. Построение на основе ЦВМ систем обработки и анализа экспериментальных данных позволило автоматизировать ввод в них бортовых измерений, полученных на морских испытаниях, и автоматизировать процесс идентификации гидродинамических характеристик моделей динамики торпеды и акустических параметров цели и ГПД. Регистрация бортовых измерений при этом осуществлялась, как и на этапе электронных аналоговых БСУ, посредством многоканальных магнитных регистраторов, но с более емкими накопителями. Автоматизация посредством ЦВМ процесса сопоставления экспериментальных данных и их расчетных аналогов позволила получить как более достоверные оценки искомых характеристик, так и осуществить более объективные оценки их достоверности и оценки законов распределения ошибок измерений [Л4.3]. Таким образом, внедрение информационных технологий в практику обработки и анализа экспериментальных данных дало возможность определять количественные оценки адекватности математических моделей, и создавать условия функционирования разрабатываемых алгоритмов при имитационном моделировании, более приближенные к реальным. В схеме процесса (рисунок 3.7) этому соответствует совершенствование связи между звеньями Э2 и П3, что позитивно сказывается на улучшении динамичности системы РЭСТ.


^ 4.3 Архитектурный анализ электронных цифровых БСУ


Проведем архитектурный анализ электронной цифровой БСУ, для чего ее структурные схемы (рисунки 4.2 и 4.3) представим в виде архитектурных схем (рисунки 4.4 и 4.5), отражающих физический и информационный архитектурные уровни соответственно. Подходы к разработке архитектурной схемы физического уровня электронной цифровой БСУ и архитектурной схемы электронной аналоговой БСУ (рисунок 3.8) совпадают.



На рисунке 4.4 знак окружности в правом верхнем углу прямоугольников означает, что в отображаемых этими прямоугольниками устройствах содержатся компоненты-носители информационных продуктов, например, микросхемы перепрограммируемой памяти. Рисунок 4.5 раскрывает архитектуру хранимых в них информационных продуктов.



Анализ архитектурных схем электронных аналоговой (рисунок 3.8) и физического уровня цифровой БСУ (рисунок 4.4) показывает, что, несмотря на смену физической основы решающих устройств, структурное развитие физического уровня БСУ практически приостановилось. На данном этапе кардинальные структурные изменения претерпели лишь составляющие БСУ компоненты. Благодаря тому, что затраты, производимые на реализацию одного и того же фрагмента информационной составляющей БСУ посредством информационных технологий несоизмеримо меньше, чем затраты на его реализацию посредством электронных аналоговых, и тем более, механических технологий, произошло перераспределение их объемов в пользу информационных, что повлекло за собой упрощение физического уровня БСУ. Прежде всего, это упрощение затронуло сложные датчики, реализованные на электромеханической основе. Так, вместо примененного на этапе электронных аналоговых БСУ блока гироскопических приборов на этапе электронных цифровых БСУ применен блок инерциальных чувствительных элементов, функции которого шире (дополнительно в нем размещены датчики перегрузок) исходного блока, а конструкция проще. Компенсацией за упрощение электромеханической части блока (сложные трехстепенные гироскопы заменены датчиками угловых скоростей, которые существенно проще гироскопов) явилось внедрение вычислительных блоков БВ01, БВ02, БВ03, БВ11 (информационных продуктов), что по суммарным затратам, несмотря на сложность реализованных в них алгоритмов БИНС, оказалось очень выигрышным. Возможность относительно малозатратного улучшения характеристик акустических каналов с применением информационных технологий позволила реализовать для этой цели полнозаполненную апертуру антенной решетки (увеличить число датчиков-гидрофонов). В частности, число каналов приемного акустического тракта дальней зоны возросло от 4-8 (реализуемых на этапе электронных аналоговых БСУ) до 36-52. Таким образом, для этапа электронных цифровых БСУ характерно перераспределение физической основы компонент БСУ, сопровождающееся усложнением информационного и упрощением физического уровня.

Архитектурная схема информационного уровня электронных цифровых БСУ ориентирована на отражение решения тех же характеристик архитектуры, что и архитектурная схема физического уровня БСУ (отражает принципы построения структур, подходы к декомпозиции, и пр.). На архитектурной схеме (рисунок 4.5) вертикальные поля объединяют вычислительные блоки в подсистемы, горизонтальные поля (слои) – вычислительные блоки по типам преобразования. В 0-м слое осуществляется преобразование (нормализация) внешних входных информационных потоков в нормализованные информационные потоки, воспринимаемые вычислительными блоками 1-го и других более высоких уровней интеграции, а также преобразование (денормализация) выходных информационных потоков БЦВМ к виду, воспринимаемому внешними по отношению к ней устройствами (тип блоков – драйверы, программы предварительной обработки входной информации). В 1-м и других слоях с более высокими уровнями интеграции осуществляется преобразование информационных потоков, поступающих со слоев меньших, чем данное преобразование, уровней интеграции (тип блоков – программы, реализующие интегрированные алгоритмы соответствующего уровня иерархии).

По горизонтали снизу отражены связи с внешними по отношению к БЦВМ устройствами, функционирующими с информационными потоками, воспринимаемыми, либо генерируемыми БЦВМ.

По вертикали слева отражена языковая основа блоков, т.е. тех машинных языков, на которых велось их программирование. На этапе электронных цифровых БСУ преимущественно применялись языки программирования низкого уровня (НУ), реже языки высокого уровня (ВУ). Применение языков высокого уровня, ориентированных широкое использование инженерных библиотек и на непосредственный перевод алгоритмов в бортовые программы, привлекательно с позиций уменьшения затрат на создание конечного информационного продукта – кодов для БЦВМ, поскольку перевод разработанной бортовой программы на языке ВУ в коды происходит автоматически, посредством сервисных программ, и, практически, без дополнительных затрат. Однако, компенсацией за уменьшение затрат таким путем становятся дополнительные ресурсы БЦВМ, расходуемые на “накладные расходы”, обусловленные “неоптимальностью” работы сервисных программ. Программирование разработчиком в кодах предполагает большие временные и интеллектуальные затраты, но позволяет уйти от указанных “накладных расходов”. На данном этапе развития БСУ ресурсы БЦВМ были достаточно ограничены, и “накладные расходы”, обусловленные применением сервисных программ, чаще всего, оказывались не оправданными.

Архитектурный анализ показывает, что если динамика архитектуры БСУ, обусловливавшая ее совершенствование на ранних этапах развития, характеризовалась постоянным “расширением” архитектуры БСУ за счет введения в нее новых подсистем и увеличения номенклатуры физических полей, то на этапе электронных цифровых БСУ номенклатура подсистем и физических полей практически не изменилась. Совершенствование функциональности БСУ на данном этапе осуществлялось только вследствие внедрения информационных технологий и процессорной электроники, располагающей существенно более высокой информационной плотностью, чем аналоговая электроника, что позволило резко повысить информационный потенциал БСУ и направить его на:

- увеличение информативности входных информационных потоков, прежде всего акустического, благодаря полному заполнению апертуры акустической антенны ДЗ датчиками,

- внедрение новых алгоритмов (совершенствование информационной составляющей БСУ).

Из архитектурного анализа БСУ также следует, что усложнение БСУ в процессе развития сопровождается увеличением числа компонент, осуществляющих декомпозирующие функции. Причем декомпозирующие компоненты могут проявляться как на физическом, так и на информационном архитектурных уровнях БСУ. В частности, 0-й слой информационного уровня архитектуры БСУ можно отнести к декомпозирующим слоям, поскольку его основной функцией является не реализация компонент боевого алгоритма функционирования БСУ, а согласование информационных потоков. В этом смысле он аналогичен слою устройств согласования в архитектурной схеме физического уровня БСУ.

Наибольшие структурные изменения на данном этапе развития БСУ претерпели решающие устройства. Проанализируем архитектуру электронных цифровых решающих устройств (рисунок 4.6) с позиций изменения их потенциала универсальности.


Уровень

устройств

(универсальность отсутствует)


В отличие от электронных аналоговых решающих устройств электронные цифровые решающие устройства содержат:

- на уровне элементов - элементы разной (неповторяющейся) номенклатуры,

- на подуровне специализированных элементов - всего два элемента: память инструкций, физически представляющую собой микросхему (либо группу микросхем), и элементы ввода-вывода.

Несмотря на очевидное различие, архитектуру электронного цифрового решающего устройства можно рассматривать как развитие и трансформацию архитектуры электронных аналоговых решающих устройств.

Память инструкций есть не что иное, как компактно реализованная система электрических связей, в которой определенным образом “закодирован” алгоритм работы решающего устройства. Этим, в частности, объясняется отсутствие элементов на уровнях функциональных групп и сборок. Напомним, что в электронных аналоговых устройствах алгоритмическая составляющая реализуется в системе связей указанных уровней.

На смену операционной схемы (системы операционных звеньев) и релейного автомата аналогового варианта в цифровом варианте реализации решающего устройства приходят процессор и оперативная память. Процессор представляет собой универсальное операционное звено, вычислительные функции которого определяются его системой команд (в этом смысле он заменяет систему операционных звеньев) и устройство микрокомандного управления, которое является конечным автоматом и поглощает функции релейного автомата. Концептуальное отличие аналогового и цифрового варианта решающего устройства состоит в том, что в аналоговом варианте в операционной схеме операционные звенья развернуты в пространстве и реализуют вычислительные процессы в реальном масштабе времени, а в цифровом варианте процессор воспроизводит их в произвольном масштабе времени в последовательности, задаваемой памятью инструкций. Промежуточные результаты при этом хранятся в оперативной памяти. Естественно, трансформация процессов, протекающих в пространственной операционной схеме аналогового решающего устройства, во временную последовательность абстрактных (если сравнивать с процессами, протекающими в операционной схеме аналогового решающего устройства) операций процессора требует также абстрактного представления вычислительного процесса, задаваемого памятью инструкций. Но, с позиций конечного результата, т.е. сигналов на выходе решающего устройства, эффект получается близкий, а с точки зрения точности решения, - лучше.

Заметим, что в технологии создания цифрового решающего устройства появляется оригинальное технологическое звено, связанное с разработкой последовательности инструкций (программы) и реализации ее в информационных носителях (например, в микросхемах), – рабочее место программиста. При этом программа является самостоятельным продуктом, в котором воплощается основная доля информационной составляющей БСУ и разрабатываемым по оригинальной технологии. Эта технология получила называние информационной, поскольку основной объем разработки и направленность технологического оборудования сконцентрированы на разработке программы, т.е. решении задачи абстрактного (информационного) представления вычислительного процесса для электронного цифрового решающего устройства.