CC BY
61Методический подход к моделированию применения космических систем в интересах информационного обеспечения центров управления Вооруженных Сил Российской Федерации
Генерал-майор А.Н. НЕСТЕЧУК, кандидат технических наук
Полковник А.В. ЧАРУШНИКОВ, доктор военных наук
Майор А.В. ШВЕЦОВ, кандидат военных наук
АННОТАЦИЯ ABSTRACT
Рассматриваются направления развития и использования программного комплекса моделирования применения космических систем с учетом его употребления в составе комплексов средств автоматизации центров управления Вооруженных Сил Российской Федерации (ВС РФ). Предложена технология оперативного формирования проблемно-ориентированных кроссплатформенных приложений. Сформированы предложения по обоснованию путей развития компьютерного моделирования космических систем, применяемых в автоматизированных информационных системах, основанные на результатах военно-научного сопровождения автоматизированных средств управления войсками, а также на результатах внедрения технологий моделирования в практическую деятельность должностных лиц центров управления ВС РФ.
Компьютерное моделирование, космические системы, центры управления, автоматизированные информационные системы, информационное обеспечение.
The paper looks at the development and employment lines for the software complex of space system use modeling, given its employment as part of automation equipment units at control centers of the RF Armed Forces (RF AF). It proposes the techniques of operational formation of problem-oriented cross-platform applications. It also formulates suggestions for substantiating development trends in the computer modeling of space systems used in automated information systems based on the results of military-scientific accompaniment of automated troop control assets, and also on the results of modeling technology introduction in the work of officials at RF AF control centers.
KEYWORDS
Computer modeling, space systems, control centers, automated information systems, information support.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
АНАЛИЗ результатов теоретических и прикладных научно-исследовательских работ показывает, что для формирования и реализации требований к перспективным образцам вооружения и военной техники необходимо разрабатывать не только комплексы математических программно-реализованных моделей, но и совершенствовать сами технологии моделирования. В связи с этим в Вооруженных Силах Российской Федерации необходимо внедрять единые научно-методические подходы и унифицированные программно-технические средства1'2.
В условиях интенсивного развития космических систем (КС) объективной необходимостью их согласованного применения в составе более сложных организационно-технических систем (группировок войск, информационно-ударных систем и др.) актуальность разработки и совершенствования средств моделирования применения КС как при их непосредственном создании, так и в составе автоматизированных систем управления (АСУ) военного назначения (ВН) не вызывает сомнений.
При создании и применении КС различной ведомственной принадлежности в целях подтверждения заявленных тактико-технических характеристик достаточно широко используются специализированные средства математического и программного обеспечения. Однако, как показывает практика военно-научного сопровождения специального программного обеспечения (СПО), используемого в органах военного управления (ОВУ), научно-исследовательских организациях (НИО) Минобороны России и организациях промышленности, оно не согласовано по целевым показателям, заложенным математическим моделям и алгоритмам, а также формам представляемых результатов.
В настоящее время на комплексах средств автоматизации (КСА) центров управления (ЦУ) Вооруженных Сил РФ установлено аттестованное и принятое на вооружение СПО, по-
зволяющее моделировать отдельные задачи применения КС. Для критически важных элементов СПО выполняется комплекс мероприятий программно-алгоритмического обеспечения с целью поддержания моделей и алгоритмов в состоянии, обеспечивающем автоматическое (автоматизированное) решение функциональных задач, надежное управление средствами вооружения и устойчивый информационный обмен с взаимодействующими средствами вооружения. При этом на должностных лиц (ДЛ) возлагаются задачи алгоритмизации и программирования новых актуальных оперативно-тактических и вспомогательных задач. Однако в рамках решения перечисленных направлений деятельности взаимодействие между разработчиками СПО, ОВУ и НИО МО РФ, осуществляющими военно-научное сопровождение разработки СПО, не налажено3.
Вместе с тем отсутствие программно-реализованных функциональных задач аналитической обработки информации в ОВУ приводит к тому, что командующие и их штабы даже при значительном располагаемом времени не могут объективно выполнить качественный анализ состава и возможностей КС и, следовательно, правильно оценить складывающуюся обстановку, найти и принять рациональное решение.
Таким образом, в условиях создания в ВС РФ системы моделирова-
ния и необходимости непрерывного наполнения библиотеки алгоритмов и программ, а также потребности в повышении квалификации соответствующих ДЛ ЦУ ВС РФ задача разработки и применения единых технологий моделирования КС является крайне актуальной.
В соответствии с ведущимися научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами (НИОКР) основными задачами моделирования КС являются4:
• оценка космической обстановки, прогноз ее развития и выдача потребителям информации о ней;
• обеспечение запуска космических аппаратов и применения орбитальной группировки Российской Федерации по назначению;
• оценка уязвимости отечественной орбитальной группировки;
• подготовка предложений по мерам противодействия потенциальным боевым космическим аппаратам иностранных государств;
• обеспечение потребителей информацией о применении иностранных космических систем в обеспечении (ведении) боевых действий в других средах;
• формирование перечня опасных космических систем и космических аппаратов иностранных государств для ведения тщательного контроля за ними;
• детализация обстановки и выдача потребителям информации о космических аппаратах иностранных государств, имеющих возможность уничтожения наземных и морских объектов из космоса.
В Вооруженных Силах РФ основными организациями, осуществляющими военно-научное сопровождение технических решений в области моделирования космических систем и средств, являются научно-исследовательские центры Центрального научно-исследовательского института
Воздушно-космических сил, а также Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского.
Ведущие зарубежные компании не менее активно внедряют технологии моделирования космических средств, обладающие свойством кроссплат-форменности, т. е. предназначенные для работы на нескольких аппаратных платформах и/или операционных системах. К подобным программным средствам относятся STK (Systems Tool Kit), GMAT (General Mission Analysis Tool), ORSA, FreeFlyer и др.
Первоначально созданный для решения проблем, связанных с использованием искусственных спутников Земли, комплекс STK используется в космонавтике, баллистике, навигации и в силовых ведомствах. Компания AGI (производитель STK) сотрудничает с такими организациями, как NASA, ESA, Боинг, JAXA, Lockheed Martin, Northrop Grumman и EADS. На основе инструментария и библиотек классов STK для вооруженных сил США разработано прикладное программное обеспечение в области оценки комической обстановки, определения возможностей системы противоракетной обороны, расчета возможностей орбитальных средств и других задач.
Открытый программный комплекс GMAT, разработанный группой космических корпораций при участии NASA, предназначен для моделирования, анализа и оптимизации траекторий космических аппаратов. Большое количество встраиваемых аналитических инструментов GMAT, ресурсов и библиотек помогает оперативно решать широкий спектр задач. Данный программный комплекс является альтернативой коммерческой программе STK.
В области применяемых инстру-ментариев разработки программных средств моделирования КС необходимо выделить Google Earth API, STK
Components, GMAT и CesiumJS, на основе которых построено множество программных решений, в том числе отечественных.
NASA стало первым в мире федеральным агентством, которое регулярно публикует свое программное обеспечение и делится наработками с общественностью. По состоянию на февраль 2020 года всего в каталоге было 976 доступных для скачивания продуктов. В опубликованном программном обеспечении есть различные решения для обработки специфических наборов данных, организации систем связи и наблюдения, а также готовая платформа виртуальной реальности для создания обучающих сред.
В практике применения КС военного назначения многократное усложнение моделей целевой обстановки, заключающееся в создании глобальных автоматизированных систем военного назначения с разнова-риантными информационно-управляющими контурами, принятии на вооружение новейших специализированных космических комплексов и средств, а также в связи с необходимостью их согласованного применения в составе стратегических организационно-технических систем требуется развитие соответствующей моделирующей базы проведения исследований.
Результаты научных исследований работ и опыт выполнения ряда оперативных заданий органами военного управления в 2015—2020 годах показали, что в настоящее время отсутствует межведомственная унификация показателей эффективности применения космических систем (средств), а также методик их определения5. Указанное обстоятельство обусловлено следующими факторами6:
• интенсивное развитие космических средств и систем (сверхпроизводительность, мультизадачность, меж-
системные связи), новые способы их комплексного применения;
• неустоявшаяся классификация космических систем и средств, их характеристик и показателей эффективности применения;
• использование различных «наборов» показателей, применяемых для оценки эффективности отечественных и зарубежных космических систем;
• зависимость показателей от состава исходных данных (по отечественной и зарубежной орбитальным группировкам), допущений и ограничений;
• использование не всегда согласованного специального математического обеспечения (алгоритмов, моделей) для расчета показателей эффективности.
По результатам анализа нормативной и методической базы в области применения КС, в том числе и Положения о порядке создания, производства и эксплуатации (применения) ракетных и космических комплексов (Положение РК-98 (РК-11-КТ)), стала очевидной необходимость разработки и внедрения единых подходов математического моделирования и оценки эффективности КС. Указанное обстоятельство отражено в решениях профильных секций и рабочих групп научно-технического совета Военно-промышленной комиссии Российской Федерации.
Общие направления решения проблемных вопросов моделирования КС заключаются в унификации математического обеспечения, повышении оперативности проектирования и разработки программных средств, а также в разработке единого инструментария моделирования КС7.
Унификация специального математического и программного обеспечения (СМПО) в области моделирования КС предполагает проведение работ по классификации, симплификации, типизации и оптимизации компонентов данных видов обеспечения, направ-
ленных на достижение максимальной эффективности в производственных процессах разработки, изготовления и эксплуатации КС и АСУ ВН.
В основу стандартизации СМПО должны быть положены требования специализированных ГОСТов Минобороны и ракетно-космической отрасли, а также зарубежный и отечественный опыт стандартизации требований к программному обеспечению в других отраслях. В настоящее время приняты отраслевые стандарты в атомной промышленности (IEC 60880), авиационной технике (DO-178C), железнодорожном транспорте (EN 50128) и здравоохранении (IEC62304).
Необходимо отметить, что в области моделирования КС требуется разработать единый межотраслевой стандарт, определяющий требования к СМПО, в том числе методам и алгоритмам космической баллистики, искусственных возмущений, функционирования типовых бортовых комплексов и др.
В связи с необходимостью оперативной разработки (менее одной недели) и представления программно-реализованных информационно-расчетных задач (демонстрационных приложений) органам военного управления и системным предприятиям ракетно-космической отрасли предлагается использовать термин «компьютерная модель» (КМ), означающий математическую модель объекта (процесса) предметной области, выполненную в компьютерной (вычислительной) среде8'9.
Компьютерные модели КС создаются в целях обоснования проектно-тех-нического облика проектируемых космических систем, подтверждения правильности выбранных конструкторских решений по их проектированию, оценки информационных возможностей КС, определения вклада в применение группировки войск (сил) и систем вооружения.
Компьютерная модель является приближенным представлением, сохраняющим существенные черты КС, и описывает основные свойства, параметры, внутренние и внешние связи КМ с заданной разработчиком точностью10.
Требуется разработка единого инструментария моделирования КС. В области разработки специального программного обеспечения АСУ ВН используется термин «инструментарий», представляющий собой программное обеспечение, предназначенное для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения программ.
Решение функциональных задач СПО КСА ЦУ ВС РФ при их создании (модернизации) может быть реализовано на стендах главных конструкторов КС. Для критически важных КС могут проводиться дополнительные работы по согласованию и калибровке моделей совместно заказчиками (потребителями) создаваемых КС, организациями — разработчиками КС и организациями, осуществляющими военно-научное сопровождение.
В специальном программном обеспечении КСА ЦУ космических войск должны решаться следующие функциональные задачи11:
• оценка степени опасности ракетной и космической обстановки;
• оповещение о возможностях иностранных космических аппаратов информационного обеспечения;
• формирование и выдача на пункты управления государства и Вооруженных Сил информации о ракетном нападении противника и военных угрозах в космосе;
• информационное обеспечение безопасности запусков и полетов отечественных космических аппаратов;
• организация управления орбитальными группировками космических аппаратов;
• поддержание установленных характеристик глобального навигационного поля ГЛОНАСС;
• навигационно-временное обеспечение, специальные и другие задачи.
При применении КС в интересах информационного обеспечения группировки войск на театре военных действий в СПО КСА ЦУ оперативно-стратегического командования (ОСК) решаются следующие задачи12:
• временное обеспечение применения оружия;
• обеспечение выдачи геопространственных и метеорологических данных;
• организация и поддержание круглосуточной непрерывной спутниковой связи;
• организация мероприятий маскировки войск.
Учитывая межвидовую специфику применения КС, функциональные задачи моделирования КС в ЦУ ВС РФ подразделяются на задачи КВ, задачи ОСК и комплексные задачи, решаемые в интересах КВ и ОСК.
Содержательно моделирование КС также может представляться не только как решение задачи обоснования рационального состава орбитальных и наземных группировок («синтез КС»), но и как решение задачи оценивания возможностей КС заданного состава («анализ КС») и их вклада в эффективность применения войск и оружия13'14.
Опыт применения КСА в практической деятельности показывает, что важнейшей задачей развития СПО КСА ЦУ ВС РФ является объединение организационных, технических и информационных ресурсов военных и гражданских организаций в единую технологию моделирования КС.
Направлениями внедрения технологий моделирования КС являются:
• информационное обследование ЦУ ВС РФ в целях определения уровня автоматизации деятельности ДЛ
ОВУ и проблемных вопросов применения СПО;
• анализ потребностей ОВУ в математических моделях предметной области применения КС;
• информационная поддержка неавтоматизированных функций ДЛ ЦУ ВС РФ с использованием программно-реализованных моделей, разработанных в НИО МО РФ;
• согласование и калибровка моделей ОВУ, НИО МО РФ и организаций промышленности, реализующих схожие функциональные задачи;
• поддержание в актуальном состоянии баз реальных и условно-реальных данных для применения математических моделей;
• тестирование математических моделей при переводе СПО на современные, в том числе отечественные, аппаратно-программные платформы;
• проверка эргономической эффективности диалоговых интерфейсов СПО и технических средств КСА ЦУ ВС РФ.
В целях обеспечения обработки реальной и условно-реальной информации в СПО ЦУ ВС РФ и программных комплексах НИО МО представляется необходимым разработка положений и протоколов информационно-технического взаимодействия, обеспечивающих взаимный обмен исходными данными, сценариями применения КС и результатами моделирования.
В качестве примера реализации подхода к разработке компьютерных моделей КС можно привести инструментарий моделирования, разработанный в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского и применяемый при выполнении НИОКР в области создания и применения космических систем военного и двойного назначения (рис.).
Основным направлением применения инструментария является предоставление разработчику программно-реализованного функцио-
Рис. Инструментарий проектирования и разработки программных средств моделирования КС
нала, позволяющего оперативно и качественно формировать проблемно ориентированное приложение для моделирования применения наземных и орбитальных группировок космических сил и средств, решающих различные военно-прикладные
задачи, в соответствии с заданным исследовательским сценарием15.
Ядром инструментария является созданная по принципу «обобщенного программирования» библиотека классов, включающая шаблоны классов и функций (математических методов
и алгоритмов). Целью создания библиотеки является разработка систематики алгоритмов, структур данных, механизмов распределения аппаратных средств таким образом, чтобы обеспечить максимальный уровень повторного использования, модульности и удобства. Библиотека классов распространяется среди разработчиков по принципу свободного программного обеспечения с открытым кодом.
С использованием инструментария разработан комплекс программ моделирования космических систем наблюдения, предупреждения о ракетном нападении, контроля космического пространства, связи и ретрансляции, а также наземной инфраструктуры управления орбитальной группировкой.
В интересах оперативного представления органам военного управления замысла применения перспективных многоспутниковых группировок разработан ряд демонстрационных приложений, позволяющих оценить возможность построения космических систем, их облик, состав и общую структуру.
Кроме того, необходимо отметить положительный опыт тестирования инструментария и программных комплексов на различных аппаратно-программных платформах. В 2017—2019 годах специалистами 2-го управления военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского проведены работы по адаптации программных средств к выполнению на вычислительных комплексах (ВК) «Эльбрус». Доработка приложений была связана с оптимизацией кода, распараллеливанием вычислений и обеспечением корректного отображения 3D-графики. По результатам выполненных работ подготовлены и представлены научно-технические отчеты в органы военного управления и профильные организации
промышленности. ВК «Эльбрус» с установленными на них программными средствами приняли участие в Международных военно-технических форумах «Армия-2017, -2018, -2019» в составе экспозиции академии.
Основываясь на опыте создания и применения единого инструментария разработки компьютерных моделей космических систем и комплексов сформулированы следующие предложения по организации научно-исследовательских работ16:
• уточнить понятийный аппарат (компьютерная модель, инструментарий, демонстрационное приложение, кроссплатформенность и т. д.) и нормативно-методические средства в области моделирования КС;
• провести анализ научно-технологического задела научно-исследовательских организаций в области разработки и использования собственных средств (инструментариев) моделирования КС;
• определить языки программирования и общее технологическое программное обеспечение, включив его в список разрешенного в Минобороны программного обеспечения;
• приступить к формированию единой библиотеки классов моделирования КС с открытым и закрытым сегментами;
• организовать разработку межведомственного инструментария моделирования КС;
• разработать общие технические требования к СМПО моделирования КС;
• создать технологии оперативной разработки демонстрационных приложений и мультимедиа материалов в целях информационной поддержки принятия решений Заказчиком о возможности разработки программных средств моделирования и выборе конкретных аппаратно-программных платформ в рамках задаваемых НИОКР;
• обеспечить обоснование, предъявление и проверку требований в рамках создания СМПО, включающего компьютерные модели КС, на всех этапах выполнения НИОКР по развитию автоматизированных информационно-аналитических систем в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации.
Также в целях обеспечения обработки реальной и условно-реальной информации в автоматизированных информационно-аналитических системах Вооруженных Сил Российской Федерации и программных комплексах научно-исследовательских организаций Минобороны необходима разработка положений и протоколов информационно-технического взаимодействия, обеспечивающих взаимный обмен исходными данными, сценариями применения космических средств и результатами моделирования.
Таким образом, проблема внедрения технологий моделирования КС в СПО КСА ЦУ ВС РФ является актуальной и осуществимой при активном взаимодействии заказчиков, потребителей и научно-исследовательских организаций, ответственных за создание и развитие СПО.
В современных условиях развития системы моделирования ВС РФ решение обозначенных задач имеет приоритетное значение при повышении уровня автоматизации системы управления войсками и оружием. В свою очередь, наиболее важными направлениями внедрения технологий моделирования КС будут являться унификация СПО и оперативная разработка проблемно-ориентированных приложений, востребованных для автоматизированной поддержки информационно-расчетной и логико-аналитической деятельности ДЛ ЦУ ВС РФ.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 ГОСТ Р 57412-2017. Компьютерные модели в процессах разработки, производства и эксплуатации изделий. Общие положения. С. 3—10.
2 Колесник А.В., Прокопенко Е.А., Янов С.В. Результаты разработки прикладного программного обеспечения во 2-м управлении военного института (научно-исследовательского) // Новатор. 2016. Вып. 34. С. 56—61.
3 Там же.
4 Там же.
5 Там же.
6 Чарушников А.В., Проценко П.А., Ортиков М.Ю. Наука и инновации в технических университетах / Материалы Девятого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. СПб., 2015. С. 64—66.
7 Колесник А.В., Ортиков М.Ю., Ча-рушников А.В. Обоснование состава инструментария разработки программных средств моделирования космических
систем / Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2020. Вып. 675. С. 53—61.
8 Колесник А.В., Прокопенко Е.А., Янов С.В. Результаты разработки...
9 Колесник А.В., Ортиков М.Ю., Ча-рушников А.В. Обоснование состава.
10 ГОСТ Р 57412-2017.
11 Вышинский А.П. и др. Направления внедрения технологий моделирования космических систем и средств в комплексах средств автоматизации центров управления Вооруженных Сил Российской Федерации / Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2019. Вып. 667. С. 80—86.
12 Там же.
13 ГОСТ Р 57412-2017.
14 Колесник А.В., Прокопенко Е.А., Янов С.В. Результаты разработки.
15 Колесник А.В., Ортиков М.Ю., Ча-рушников А.В. Обоснование состава.
16 Там же.
