CC BY
80Использование геопространственных данных при определении местоположения движущейся наземной цели и ее поражении
Полковник в отставке Ю.Е. ДОНСКОВ, доктор военных наук
Полковник П.А. ФЕДЮНИН, доктор технических наук
Подполковник запаса В.А. ВАСИЛЬЕВ, кандидат технических наук
АННОТАЦИЯ ABSTRACT
Рассматриваются проблемные вопросы информационно-разведывательного обеспечения боевого управления ударными авиационными комплексами при целеуказании и наведении на наземные мобильные цели, теоретические и методические основы выработки подходов к комплексному использованию текущих данных разведки и геопространственных данных района боевых действий для прогнозирования местоположения движущейся цели при ее сопровождении до момента нанесения удара.
Разведывательно-ударные действия авиации, информационно-разведывательное обеспечение, геоинформационные технологии, наземная мобильная цель.
The paper examines problem issues of information reconnaissance support of combat control over aviation assault units during target designation and direction to mobile ground targets, the theoretical and methodological basis for devising approaches to comprehensive employment of current intelligence and geospatial data for the combat area, when forecasting the location of a mobile target being tracked until the hit.
KEYWORDS
Aviation reconnaissance and assault actions, information and reconnaissance support, geo-information technologies, mobile ground target.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
АНАЛИЗ действий авиации Воздушно-космических сил (ВКС) России в специальных операциях позволил оценить достигнутые результаты процесса адаптации авиационной техники к складывающейся реальной боевой обстановке. По мнению большинства отечественных и зарубежных специалистов, в целом авиация ВКС продемонстрировала свои усовершенствованные технические и боевые возможности.
Позитивной оказалась общая оценка применения высокоточного оружия (ВТО) и обычных авиационных средств поражения (АСП) во многом благодаря сегментам формируемых в войсках интегрированных систем разведки, наблюдения, рекогносцировки и управления. Приобретенный опыт уже послужит ориентиром на поэтапную военную модернизацию созданием таких систем в рамках всех Вооруженных Сил. В общих чертах речь идет о формировании в видах Вооруженных Сил и родах войск временных разведывательно-ударных контуров (РУК) различных уровней с возможной последующей их интеграцией в единую разведывательно-ударную систему. По материалам открытой печати можно сделать вывод о том, что основные технологии, необходимые для формирования таких систем, в принципе либо уже доступны, либо появятся в ближайшем будущем.
В то же время специалисты отмечают недостаточный уровень существующего потенциала для создания полноценных высокоэффективных РУК оперативно-тактического и тактического уровня, в составе которых авиация имела бы способность поражать вновь выявленные цели в районе боевых действий с малым временем реакции (Тр) после обнаружения и опознавания целей. Вследствие этого авиация ВКС в основном наносила заранее спланированные удары по неподвижным целям. В конечном итоге по прежнему для ударной авиации задачи обнаружения и поражения часто меняющих позицию целей, а также мобильных целей, остаются в практическом плане одними из сложных.
Вместе с тем к настоящему времени достигнут определенный прогресс в устранении проблем, с которыми традиционно связывают ограничение боевых возможностей пилотируемых и беспилотных ударных авиационных комплексов (УАК) по непосред-
ственной авиационной поддержке тактических воинских формирований на поле боя и его изоляции.
Во-первых, созданы условия для обеспечения автономности УАК за счет использования собственных средств разведки, управления и поражения. При этом формируемый в УАК контур обладает минимальным значением Тр. Так, прицельно-навигационный комплекс СОЛТ-25 (система оптическая лазерная те-пловизионная) самолета СУ-25СМ3 позволяет обнаруживать и сопровождать наземные цели в различных климатических условиях и в любое время суток, а также воздействовать на противника широкой номенклатурой современных АСП.
Во-вторых, реализована возможность на техническом и функциональном уровне интеграции УАК в автоматизированную систему управления авиацией ВКС и в РУК межвидовых группировок войск (сил), что значительно ускоряет обмен информацией между пунктами управления (ПУ) и УАК.
В-третьих, разработана и внедрена в войска линейка программно-технических комплексов для наземных ПУ позволяющих сократить цикл боевого управления при целеуказании и наведении УАК на наземные, в том числе мобильные цели. Так, положительную оценку при фактическом боевом применении получил комплекс разведки, управления и связи «Стрелец», производимый с 2007 года на предприятии «Радио-авионика».
Сосредоточение усилий на снижении времени Тр во многом объясняет стремление к автономизации применения авиационных комплексов, которое остается устойчивым ввиду значительного отставания возможностей существующих средств разведки и управления от современных требований. В то же время опыт при-
менения современных УАК указывает на то, что с повышением их боевых возможностей и автономности в выполнении ударных задач растет зависимость эффективности их применения от качества разведывательной информации, получаемой боевыми расчетами ПУ и экипажами УАК.
Очевидно, что в сложившихся условиях, без устранения имеющегося дисбаланса в развитии базовых элементов РУК (средств разведки и управления, боевых средств), реализация современных способов боевого применения РУК в тактической зоне не представляется возможной. Именно с этой позиции в статье рассматриваются актуальные, по мнению авторов, вопросы повышения уровня разведывательного обеспечения действий авиации в составе прежде всего РУК тактического уровня с учетом имеющихся возможностей у современной оперативной и тактической разведки по добыванию разнородных данных о целях в условиях быстроменяющейся обстановки. В частности, к обсуждению предлагаются результаты исследования по возможности использования геопространственных данных в качестве принципиально нового источника формирования информации о движущейся наземной цели.
Анализ проблем обеспечения боевых расчетов ПУ и экипажей УАК разведывательной информацией при выполнении задач по поражению наземных (морских) целей в рамках РУК, а также определение возможных путей решения данных проблем, необходимо начать с констатации следующего факта. Так, если на этапе разработки технических заданий к бортовому радиоэлектронному оборудованию УАК и комплексам вырабатываются соответствующие требования по возможностям разведки, то при разработке других средств разведки требования к добыванию дан-
ных в интересах действий авиации предъявлялись не всегда. Кроме того, существующие сети воздушной радиосвязи обладают ограниченной пропускной способностью и по-прежнему доступны средствам разведки и радиоэлектронного подавления вероятного противника. Ситуация такова, что в условиях весьма ограниченных возможностей отечественных космических систем видовой разведки, отсутствия современных авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения, а также наметившегося отставания в сроках развертывания единой высокоскоростной сети обмена данными, для выполнения задач поражения мобильных целей в тактической и оперативно-тактической глубине требуется поиск альтернативных решений, которые позволят приблизить уровень разведывательного обеспечения ударных действий авиации к современным требованиям, в том числе для сложных условий местности. Одно из таких рациональных решений основывается на том, что технологическая база современных средств разведки и автоматизации позволяет не только решать задачи точного определения координат движущихся целей, но и автоматизировать расчеты, связанные с прогнозированием их местоположения для непосредственного наведения боевых средств.
Доказано, что точность прогноза, т. е. формирования новых данных на основе уже имеющихся, определяется степенью обеспеченности актуальной исходной информацией. Комплексная обработка текущих данных разведки и геопространственных данных позволяет восполнить недостающие сведения (например, о скорости цели) для прогнозирования местоположения движущейся цели при ее сопровождении до момента нанесения удара. А эффективность работы органов военного управления
(ОВУ) значительно повышают инновационные технологии. Так, традиционные бумажные носители и информация заменяются цифровыми картами и компьютерными базами данных. Объединение данных способов хранения информации подтолкнуло к развитию принципиально новых технологий геоинформационных систем (ГИС).
В данной статье предлагается подход, позволяющий снижать погрешность определения местоположения движущейся цели при ее сопровождении и последующем поражении. В его основу положены результаты анализа геоинформации о районе боевых действий и характеристик цели как совокупности геоинформационных объектов.
Под геоинформацией в широком смысле слова понимается совокупность сведений и описаний об объектах и явлениях на земной поверхности, характеризуемая наличием пространственных отношений между этими явлениями и объектами. В прикладном значении геоинформация представляет собой формализованные геопространственные данные в виде геоинформационных моделей,
Уже сейчас ГИС позволяют решать широкий спектр задач военного назначения (рис. 1) и обеспечивать: планирование движения техники и личного состава с учетом конкретной обстановки; планирование полетов пилотируемой и беспилотной авиации; определение возможных маршрутов передвижения противника и многое другое1.
предназначенных для использования и обработки в различных информационных системах, включая ГИС2.
Предлагаемый подход естественно приводит к новой технологии прогнозирования — прогностической геолокализации. Под геолокализацией будем понимать собственно определение либо координат цели в выбранной системе координат, либо границ участка местности, обозначающего текущую (прогнозируемую) позицию цели.
Как технология прогностическая геолокализация интегрирует методы геоинформационного моделирования, экстраполяционные методы (или другие методы) прогнозирования и включает следующие три основных этапа: сбор и обобщение первичных данных; моделирование вторичных
Рис. 1. Задачи, решаемые ГИС военного назначения (вариант)
данных; геолокализация цели на заданный период упреждения.
На первом этапе ключевым вопросом является выделение специфических типов информации, необходимой при решении проблем управления. Исходя из этого применительно к условиям рассматриваемой задачи можно выделить оперативную и условно-постоянную информацию.
Оперативная информация включает данные о цели (тип, координаты, скорость и др.), используемые для проверки гипотез (например, о движении цели по дороге или вне дорог) с последующим выбором соответствующих геоинформационных моделей, и прогнозных расчетов для сопровождения и последующего поражения.
Условно-постоянная информация есть совокупность геопространственных данных о районе боевых действий, данных о технических характеристиках цели (в плане маневренности), другой доступной информации о факторах, влияющих на движение цели, в том числе тактического характера. Ее можно отнести к категории общих, многопользовательских ресурсов с учетом реализации информационно-технического взаимодействия автоматизированных систем управления различной принадлежности и назначения. Очевидно, что этап сбора информации данного типа должен предшествовать периоду подготовки к боевым действиям. Первичные данные получают от средств разведки (оперативная информация), а также в результате сбора информации об элементах местности другими технологиями: фотограмметрическими, полевыми и картометрическими методами; использованием различных ГИС, данных САПР, дистанционного зондирования и т. д.
На этапе моделирования вторичных данных осуществляется диалек-
тический переход от совокупности первичных данных к совокупности взаимосвязанных геоинформационных моделей. При этом объектами моделирования являются: элементы местности, например, участок дороги (сеть дорог); процесс движения цели в границах контролируемого участка местности; прогнозная оценка местоположения цели на момент ее обнаружения и атаки. Применяемые методы моделирования могут быть разнообразными и определяются в первую очередь научным потенциалом, наработанным специалистами в области геоинформатики3.
Модели элементов местности и движения цели относятся к классу дескриптивных моделей, основной функцией которых является описание объектов и процессов. Данные модели, как информационный ресурс, также можно отнести к категории общих, многопользовательских.
Особенностью решения прогностических задач на третьем этапе является необходимость учета взаимодействий объекта прогнозирования с окружающей средой. Так, важным фактором воздействия окружающей среды, который учитывается при анализе способов действий противника, является мобильность на пересеченной местности (МПМ). В армии США МПМ — это данные, которые добываются силами и средствами оперативной разведки и далее используются в процессах принятия решений на всех уровнях управления. Продуктом обработки этих данных средствами автоматизации является рассчитанная скорость движения конкретной боевой машины или подразделения на местности (вне дорог) с учетом физических особенностей этой местности. Элементами местности, влияющими на выдаваемую расчетную МПМ-скорость, являются: крутизна преодолеваемого подъема; тип почвы и ее влажность; растительность
и ее характеристики; неровности поверхности; наличие естественных и (или) искусственных препятствий. В рассматриваемой задаче для учета внешних воздействий может также потребоваться построение моделей погодных или дорожных условий, помеховой обстановки в зоне боевых действий и др.
При наличии моделей объекта прогнозирования и данных об окружающей среде проводится этап последовательной во времени прогностической оценки местоположения целина местности с заданным периодом упреждения.
В качестве примера реализации технологии прогностической геолокализации рассмотрим сценарий сопровождения цели, движущейся по заданному участку автомобильной дороги. При этом уровень обслуживания участка соответствует условиям, при которых отсутствует взаимодействие между автомобилями; водители свободны в выборе скоростей; скорость практически не снижается с ростом интенсивности движения.
Методика построения геоинформационных моделей участка дороги и движения одиночной цели по рассчитанной траектории подробно рассмотрена в работе «Имитационное пространственно-временное моделирование процесса движения наземной цели»4. Укажем на основные особенности данных моделей.
Во-первых, для построения траектории движения цели используется метод «сглаживания эскизной линии трассы»5. Сущность метода заключается в задании координат последовательности точек, снимаемых с эскизного варианта трассы, с последующей аналитической аппроксимацией. В модели за эскизные точки, вблизи которых должна пройти дорога, принимаются координаты (х, у) выбранных определен-
ным образом точек на рассматриваемом участке.
Во-вторых, аналитическая аппроксимация линии дороги представляется в виде последовательности полиноминальных участков, характеризующих основные элементы дороги (прямолинейные участки и круговые кривые) и описываемых квадратичными полиноминальными уравнениями вида: у = Ах2 + Вх + С, где А, В и С — коэффициенты аппроксимирующих отрезков кривых, определяемых из условия приближения к фактической линии дороги по методу наименьших квадратов.
В-третьих, в качестве модели движения цели по дороге используется модифицированная микроскопическая модель Трайберга с дискретизацией времени. Новым является воспроизведение динамики не «разумного водителя», а «лидера». При этом сохраняются основные принципы, заложенные в концепции выдерживания при движении безопасной дистанции до «лидера». Только теперь за безопасную дистанцию принимается расстояние, которое проедет водитель за время, необходимое для того, чтобы выровнять скорость до безопасной скорости движения на кривой. Значение безопасной дистанции определяется скоростью свободного движения цели и величиной Я.
Дополнительно в модели Трайбер-га изменен способ отображения движущейся цели с двухмерного (х, у) на одномерный путем проецирования точки местоположения цели на линию дороги. Под одномерной координатой понимается смещение 5 относительно начала маршрута.
С учетом принятых изменений процесс движения цели описывается следующими чередующимися этапами: разгон на линейном участке свободной дороги до желаемой скорости; свободное равномерное движение; торможение до безопасной скорости
вхождения в поворот. Приведенный набор этапов является достаточным для воспроизведения процесса движения одиночной цели по дороге с известными и рассчитанными параметрами. Вычисленные с временным шагом Дt = 0,1 с (для слабо маневренной цели) смещения 5. и соответствующие им значения времени I. сохраняются в памяти ЭВМ в виде двухмерного массива данных [5, Я
В рассматриваемом примере модель движения цели используется для имитации процесса сопровождения цели средством разведки. На практике результаты моделирования могут быть востребованы в случае недопустимых значений периода обновления разведывательной информации Тц, возникающих из-за повышенной загруженности трафика в канале воздушной радиосвязи либо под влиянием преднамеренных или непреднамеренных помех. В указанных обстоятельствах моделирование (как один из методов прогнозирования) движения цели позволит снижать неопределенность при оценке ее местоположения в процессе сопровождения и нанесения удара.
Задача прогноза с использованием экстраполяционных методов решалась следующим образом. Требуется до прихода новой информации о координатах (х, у) цели определять точку на траектории ее движения, максимально соответствующую этой новой информации. С учетом возможностей существующих сетей воздушной радиосвязи по своевременной передаче сообщений, аналитическое выражение для экстраполяционной функции было составлено в виде: 5.(0 = 5. + v.(t - t), где V. — рассчитанная скорость цели на г-м интервале. Отсчеты смещения 5 выбирались из сформированного массива пространственно-временных данных с периодом Тц = t-t¡ и экстраполировались
в начале каждого временного интервала. В конце каждого интервала вычислялась ошибка е$ экстраполяции как разность между экстраполированным смещением позиции цели и реальным (модельным). По достижению границы рассматриваемого участка дороги вычислялась дисперсия Ве генеральной совокупности вычисленных ошибок е.
5
На рисунках 2 и 3 представлены зависимости дисперсии Ве ошибки экстраполяции от периода Тц обновления информации о цели для прогноза по последнему отсчету (прогноза «нулевого порядка») и кусочно-линейной экстраполяции соответственно. Результаты расчетов позволяют сделать следующие обобщенные выводы:
1. Длительность периода Тц оказывает существенное влияние на точность прогноза. Это влияние тем сильнее, чем маневреннее цель и выше извилистость дороги.
2. Прогноз по последнему отсчету дает удовлетворительные результаты (рис. 3) лишь при условии высокой интенсивности обновления информации (Тц < 15 с) и скорости цели менее 40 км/ч.
3. Использование алгоритма непосредственной кусочно-линейной экстраполяции при тех же условиях снижает степень ошибок прогноза более чем на порядок. При этом основную долю ошибок образуют экстраполированные отсчеты смещения на круговых кривых при скорости цели более 40 км/ч. На прямых участках дороги ошибки прогноза стремятся к нулю. При скорости цели менее 40 км/ч ошибки будут определяться только дорожными и (или) погодными условиями, другими влияющими факторами, которые в данном примере не учитывались.
4. Применение для прогноза квадратичных моделей равнопеременного движения цели и других моделей,
А-лг 105
К)"
10*
10
—*
// / * у ■Ч К= 60 км/ч кк.'ч
/' * \ ^-40 см/ч
10
20
30
40 Г.с
/Л.м' 104
103
103
10
\
У=60 к=яо км/ч
им.'ч
** V 40 км/ч
10
20
30
40 Г,.,с
Рис. 2. Дисперсия ошибки
Рис. 3. Дисперсия ошибки
экстраполяции при использовании экстраполяции при использовании
алгоритма прогноза нулевого порядка
алгоритма кусочно-линеинои экстраполяции
учитывающих ускорения и рывки, позволяет осуществлять «прецизионное» наведение УАК. Однако это возможно только при малых периодах обновления координатной информации о цели.
5. Предварительный анализ возможностей предлагаемой геоинформационной технологии по повышению эффективности применения УАК в условиях мобильности целей, проведенный с помощью рассмотренного в работе «Модель учета задержки информации в канале связи при оценивании эффективности функционирования системы управления авиацией»6 научно-методического аппарата, показал средний (по ансамблю исходных данных) прирост
Модель движения цели используется для имитации процесса сопровождения цели средством разведки. На практике результаты моделирования могут быть востребованы в случае недопустимых значений периода обновления разведывательной информации, возникающих из-за повышенной загруженности трафика в канале воздушной радиосвязи.
величины информационно-боевого показателя — «вероятности выхода УАК на цель» при использовании алгоритмов прогноза нулевого порядка и кусочно-линейной экстраполяции соответственно на 15—20 % и 25—30 %. Как следствие, вероятность поражения движущейся цели при прочих неизменных условиях выполнения боевой задачи (заданных вероятностей своевременного вылета и преодоления ПВО, метеорологических условиях и др.) возрастает на 10—15 % и 20—25 % соответственно. Наиболее достоверные оценки указанных показателей даст, очевидно, эксперимент, проводимый в реальных условиях. Подобные условия могут быть созданы на войсковых учениях или полигонных испытаниях. Кроме того, в процессе эксперимента может осуществляться коррекция параметров геоинформационных моделей.
В заключение необходимо отметить, что набор возможных методов прогноза для построения геоинформационных моделей не ограничивается рассмотренными в данной статье. Разработка в рамках технологии эффективных алгоритмов, дающих достоверную прогнозную оценку местоположения движущейся по дороге цели составляет, на наш взгляд,
решение целого комплекса самостоятельных научно-практических задач. В частности, повышенной сложностью характеризуются прогностические задачи сопровождения цели в районе густо разветвленной дорожной сети, а также цели, движущейся по горной дороге. В последнем случае необходимо определенном образом учитывать значительную величину дисперсии скорости цели из-за высокой извилистости дороги и наличия на ней крутых подъемов, а также экстремальный характер условий обнаружения цели (например, для средств разведки информационные признаки цели могут ослабевать в результате затенения и экранирования горным ландшафтом). Отдельную область исследований также составляют вопросы построения геоинформационных моделей для задач сопровождения целей, движущихся по пересеченной местности вне дорог.
Для практической реализации значительного и еще не до конца раскрытого потенциала технологий применения пространственной информации требуется приложить значительные усилия в интеграции, систематизации и актуализации накопленной геоинформации, а также
Анализ возможностей предлагаемой геоинформационной
технологии по повышению эффективности применения УАК
в условиях мобильности целей показал средний прирост величины показателя — «вероятности выхода УАК на цель» при использовании алгоритмов прогноза нулевого порядка и кусочно-линейной экстраполяции соответственно на 15—20 % и 25—30 %.
в создании средств автоматизации, обеспечивающих эффективный поиск информации, ее защиту, комплексный анализ и обработку. При этом важно (не повторяя ошибок) обеспечить согласованность разработки и использования ГИС-техноло-гий для уже создаваемой межвидовой автоматизированной разведывательно-ударной системы. Результаты этой работы создадут условия в том числе для оперативного предоставления боевым расчетам ПУ и экипажам УАК достоверной и полной разведывательной информации, необходимой для обнаружения и поражения мобильных целей.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Беленков В.В., Корж М.М. Основные направления применения геоинформационных технологий в военном деле // Информационные технологии и компьютерная инженерия. 2006. № 3 (7).
2 Розенберг И.Н. Геоинформационное моделирование как фундаментальный метод познания // Перспективы науки и образования. 2016. № 3 (21). С. 12—15.
3 Бутко Е.Я. Геоинформатика как метод познания // Образовательные ресурсы и технологии. 2016. № 5 (17). С. 56—62.
4 Васильев В.А., Федюнин П.А., Беляев М.П., Васильев А.В. Имитационное пространственно-временное моделирование
процесса движения наземной цели // Автоматизация процессов управления. 2019. № 3 (57). С. 103—111.
5 Скрыпников В.В., Чернышова Е.В., Ермоленко В.В. Концепция построения компьютерных баз по физическим эффектам // Автоматизация. Современные технологии. 2016. № 11. С. 16—20.
6 Васильев В.А., Федюнин П.А., Беляев М.П., Васильев А.В. Модель учета задержки информации в канале связи при оценивании эффективности функционирования системы управления авиацией // Теория и техника радиосвязи. 2019. № 2. С. 13—18.
