CC BY
265ТЕХНИКА И ВООРУЖЕНИЕ
Принципы построения бортовых комплексов управления беспилотных летательных аппаратов различного класса надежности
Подполковник А.М. АГЕЕВ, кандидат технических наук
Майор АС. ПОПОВ
Подполковник М.Ф. ВОЛОБУЕВ, кандидат технических наук
АННОТАЦИЯ. Предложена классификация беспилотных летательных аппаратов (БЛА) по требуемой надежности с учетом основных определяющих факторов, включающих их класс, уровень решаемых задач, взлетной массы, дальности и продолжительность полета, требуемой надежности. Раскрыты особенности построения и функционирования бортового комплекса управления беспилотных летательных аппаратов различного класса.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: беспилотный летательный аппарат, надежность, бортовой комплекс управления.
SUMMARY. A classification of unmanned aerial vehicles (UAVs) is proposed according for the required reliability, taking into account the main determining factors, including their class, level of tasks to be solved, take-off mass, flight range and duration, reliability required. Design and operation features of various-class UAVs' on-board control sets are disclosed.
KEYWORDS: unmanned aerial vehicle, reliability, on-board control set.
В СОВРЕМЕННЫХ военных конфликтах все чаще применяются БЛА. Интерес к ним обусловлен их потенциальными возможностями и некоторыми преимуществами перед пилотируемыми летательными аппаратами (ЛА)1. Эффективность использования БЛА во многом зависит от их надежности. Наряду с комплексами с БЛА ближнего действия и малой дальности, обладающими весьма низкой надежностью, перед военно-промышленным комплексом страны стоит задача по разработке и повышению надежности, применительно к комплексам с БЛА средней и большой дальности, большей продолжительности полета. Надежность таких аппаратов должна быть сопоставима, а в отдельных случаях выше, чем надежность пилотируемых ЛА, по причине отсутствия на борту человека, способного парировать катастрофичные последствия отказов в системе управления, ведущие к неконтролируемым режимам полета2.
Надежность — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях
1 Голубева И.С., Туркина И.К. Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования. М.: Изд-во МАИ, 2008.
2 Боевые комплексы беспилотных летательных аппаратов. Часть 1. Системная характеристика боевых комплексов беспилотных летательных аппаратов. Научно-методические материалы / под ред. А.Н. Максимова. М.: ВВИАим. проф. Н.Е. Жуковского, 2005.
применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования3. Известно, что надежность БЛА зависит главным образом от состояния бортового комплекса управления (БКУ). Поэтому к БКУ БЛА предъявляются самые высокие требования по надежности. Для определения и оценки возможных способов повышения надежности БКУ необходимо привести классификацию БЛА с позиции уровня надежности, а также провести анализ принципов построения БКУ существующих и перспективных БЛА различного класса.
Наиболее часто для классификации БЛА используются следующие признаки: взлетная масса, дальность действия, практический потолок, максимальная продолжительность и максимальная скорость полета, способ взлета, способ посадки, кратность применения, функциональное назначение. Многие из этих классификационных признаков являются взаимозависимыми. Поэтому их одновременное использование не позволяет получить непротиворечивую схему классификации. В работах4 приведены известные общепризнанные отечественная и зарубежная классификации БЛА. Основываясь на функциональном предназначении каждого БЛА, сложности бортового оборудования и времени полета целесообразно разделить все БЛА самолетного типа на три класса, представленных в таблице 1.
Таблица 1
Классификация БЛА
———БЛА Характеристика ——— Тактические Оперативные Стратегические
Решаемые задачи Оптическая разведка Оптическая, инфракрасная и радиотехническая разведка, боевое применение, радиоэлектронная борьба Оптическая, инфракрасная, радиотехническая разведка, радиолокационная разведка, лазерная разведка, боевое применение, радиоэлектронная борьба
Взлетная масса, кг до 10 10-100 250-50000
Дальность полета, км до 20 20-100 100-5000
Продолжительность полета, ч до 1 1-12 2-72
Такая классификация обусловливает возможность определить требования к надежности БКУ БЛА каждого класса5. Наивысшему уровню надежности, используемому в авиации6, соответствует вероятность
3 ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.
4 Комплексы с беспилотными летательными аппаратами. Книга 1. Принципы построения и особенности применения комплексов с БЛА / под ред. чл.-корр. РАН, д.т.н., проф. B.C. Вербы, д.т.н., проф. Б.Г. Татарского. М.: Радиотехника, 2016; Современное состояние и перспективы развития беспилотных авиационных систем XXI века. Аналитический обзор по материалам зарубежных информационных источников / под ред. Е.А. Федосова. М.: НИЦ ФГУП ГосНИИАС, 2012.
5 Волобуев М.Ф. Классификация беспилотных летательных аппаратов по уровню требуемой надежности //Авиакосмическое приборостроение. 2016. Вып. 9. С. 39—48.
6 Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов / под ред. Г.С. Бюшгенса. М.: Наука, 1998.
отказа на час полета, равная 1 • Ю-9. Бортовые системы пилотируемых самолетов, наиболее ответственные в смысле функциональной значимости для безопасности полета (системы группы I), должны обеспечивать вероятность отказа на час полета не более 1 • 10~8. То есть можно сказать, что предельной надежности БЛА соответствуют вероятность отказа на час полета в диапазоне от 1 • Ю-9 до 1 • Ю-8. Именно эти количественные значения представляется разумным принять для класса стратегических БЛА.
Классу БЛА оперативного назначения можно поставить в соответствие надежность бортовых систем группы II пилотируемых самолетов, которые, исходя из выполнения условий отказобезопасности, должны обеспечивать вероятность отказа на час полета не более 1 • Ю-6, что достигается двух-трехкратным резервированием. Таким образом, для класса очень высокой надежности БЛА, целесообразно рекомендовать количественные значения вероятности отказа на час полета в диапазоне от 1 • Ю-8 до 1 • Ю-6.
Минимальной надежностью, которой оперируют в пилотируемой авиации в качестве опорного уровня, является надежность нерезервированного электрогидравлического канала системы управления, вероятность отказа которого на час полета оценивается величиной 1 • Ю-3. Такому же уровню надежности (вероятность отказа от 1 • Ю-4 до 1 ■ Ю-3 на час полета) отвечают бортовые системы группы III пилотируемых самолетов, отказы которых не влияют на безопасность полета и не требуют резервирования. Введенный данный класс надежности распространяется на тактические БЛА. Таким образом, для класса надежности тактических БЛА принимаем количественные значения вероятности отказа на час полета в диапазоне от 1 • Ю-4 до 1 • Ю-2. Обобщенная шкала требуемой надежности БЛА различного класса представлена в таблице 2.
Таблица 2
Обобщенная шкала требуемой надежности БЛА
Класс БЛА Допустимая вероятность отказа на час полета Кратность резервирования
Тактические 1 • Ю-4—1 • Ю-2 1
Оперативные 1 • Ю-8—1 • ю-6 2-3
Стратегические 1 • 10-9-1 ■ Ю-8 3-4
Для достижения требуемой надежности БЛА в целом необходимо при проведении опытно-конструкторских работ обеспечить безотказную работу одного из самых важных компонент БЛА — бортового комплекса управления.
В составе БКУ можно выделить три основные системы: измерительную, вычислительную и исполнительную.
В измерительной системе (ИзмС) происходит получение информации о параметрах полета и пространственном положении БЛА от датчиков, основанных на разных физических принципах, и выдача ее в вычислительную систему (ВычС). В ВычС полученная информация обрабатывается, преобразуется и учитывается при формировании сигналов управления, которые передаются для реализации в исполнительную систему (ИсС), где с помощью отклонения аэродинамических поверхностей происходит их реализация.
Тактические БЛА из-за ограниченных массогабаритных и стоимостных характеристик имеют нерезервированные нераспределенные БКУ. Пример реализации БКУ тактического БЛА представлен на рисунке 1.
* МИНС — малогабаритная инерциальяая навигационная система.
Рис. 1. Типовой состав бортового комплекса управления тактического БЛА
Оперативные БЛА имеют более сложный по конструкции и составу комплекс управления. Измерительная система обладает большим набором измерительных средств, что позволяет за счет реконфигурации и комплексирования информации повысить точностные характеристики. Некоторая информация, полученная от датчиков, внутри ИзмС преобразуется в удобную для потребителей форму, что перераспределяет нагрузку с вычислительной системы и повышает надежность всего комплекса. В наиболее важных компонентах БКУ реализуется (обычно двухкратное) поканальное резервирование. Резервирование ИсС реализовано применением многосекционных рулей, которые используются для реализации различных конфигураций органов управления, например на взлетно-посадочном режиме. Типовой БКУ оперативного БЛА представлен на рисунке 2.
БКУ стратегических БЛА имеют еще более сложную архитектуру. Все системы имеют многократное резервирование. Вычислительная система распределена по нескольким вычислителям, объединенным в одну бортовую локальную вычислительную сеть с применением сетевых интерфейсов7. Исполнительная система БКУ стратегических БЛА по своему составу очень схожа с пилотируемыми самолетами: применяются дублированные блоки и 4-кратное резервирование рулевых приводов, высокоскоростные интерфейсы передачи данных. Типовой БКУ стратегического БЛА представлен на рисунке 3.
7 Руководство Р-297 по вопросам разработки и квалификации интегрированной модульной авионики. М.: ОАО Авиаиздат, 2015.
СП
РВ - радиовысотомер СП - сервопривод
СВС - система воздушных сигналов В - вычислитель
МИНС — малогабаритная инерциальная
навигационная система
СНС - спутниковая навигационная
система
ПВД - приемник воздушного давления КД- контроллер двигателя
Рис. 2. Типовой состав бортового комплекса управления оперативного БЛА
СВС
РСДН
дисс
ИзмС
ОС РВ ФП
I
ВычС | \
ПП ПП ПП
ИспС
АШЛС - 429 • АШМС - 664 (АРЭХ)
САК
СВС - система воздушных сигналов СНС - спутниковая навигационная система БИНС - безплагформенная инерциональная навигашюнная система
РСБН - радиоаппаратура ближней навигации РСДН - радиоаппаратура дальней навигации РВ - радиовысотомер
ДИСС - доплеровские измеритель скорости и угла сноса БРЛС - бортовая радиолокационная станция АРК - автоматический радиокомпас ПП - пневмопривод СП - сервопривод
ОС РВ - операционная система реального времени ФП - функциональное приложение
Рис. 3. Типовой состав бортового комплекса управления стратегического БЛА
Важно обратить внимание на особенности измерительных систем БКУ БЛА. В рассматриваемых измерительных системах различных классов БЛА устанавливаются различные типы датчиков, реализованные на разных физических принципах8.
На тактических БЛА применяют малогабаритные инерциальные навигационные системы (МИНС). Имея в своем составе триады инерци-альных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр, путем осуществления комплексирования данных этих датчиков с данными приемника спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS), система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации БЛА. Этим обеспечивается устойчивость системы не только в прямолинейном движении, но и при виражах, разворотах, подъеме и снижении, в том числе на взлете/посадке в условиях турбулентности и боковом порывистом ветре.
Основные недостатки ИзмС тактических БЛА: малая точность и большие погрешности МИНС; малые размеры носителя, которые не позволяют резервировать блоки МИНС и применять датчики, основанные на других физических принципах; невозможность реализации автономного полета при пропадании сигнала от спутниковых навигационных систем.
Измерительная система БКУ оперативных БЛА конструируется с применением одного или нескольких блоков МИНС и может быть дополнена системой воздушных сигналов (СВС), радиовысотомером (РВ), магнитным компасом и др. Установка полноценной СВС позволяет вычислять барометрическую высоту, различные виды скоростей и числа М. Необходимо подчеркнуть, что установка резервного блока МИНС не только повышает надежность, но и увеличивает точностные характеристики ИзмС.
В состав измерительной системы БКУ стратегических БЛА кроме вышеперечисленных могут входить информационные датчики и системы, показанные на рисунке 3. Их многообразие позволяет обеспечить достаточное резервирование и комплексирование ИзмС.
Второй критически важный элемент БКУ БЛА — вычислительная система. В общем случае структура вычислительной системы БКУ БЛА включает два основных компонента: аппаратный и программный9. Аппаратный компонент реализуется на одном или нескольких вычислителях, объединенных с измерительной и исполнительной системами в бортовую локальную вычислительную сеть (БЛВС). Она как интегрированная система связей узлов и систем БКУ должна обеспечивать одновременную обработку всех типов данных и все виды коммуникаций. Для организации совместной работы узлов БКУ друг с другом и со встроенным программным обеспечением (ПО) должна быть создана операционная среда, что обычно реализуется с использованием операционных систем реального времени (ОСРВ)10.
В БКУ тактических БЛА, как правило, используется ОСРВ типов FreeRTOS, MAVLink и LynxOS, которые состоят из монолитного ядра. Это такая схема операционной системы, при которой все ее компо-
8 Авиационные приборы и навигационные системы летательных аппаратов / под ред. O.A. Бабича. М.: ВВИА, 1991.
9 Парамонов П.П., Жаринов И.О. Интегрированные бортовые вычислительные системы: обзор современного состояния и анализ перспектив развития в авиационном приборостроении // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 2. С. 1-17.
10 Операционные системы реального времени для авионики: обзор. URL: http://rnd. cnews.ru/reviews/index_science.shtml72008/05/05/299461_l (дата обращения: 15.02.2017).
ненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур. Для монолитной операционной системы ядро совпадает со всей системой. Выбор разработчиками указанных ОСРВ обоснован их дешевизной и относительной стабильностью работы.
Вычислительная система БКУ оперативных и стратегических БЛА работает под руководством микроядерных ОСРВ типов ()МХМеШппо и УхЖогкз. Это такой тип операционной системы, когда большинство ее составляющих — самостоятельные программы. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый микроядром. Такие системы обладают целым рядом преимуществ перед монолитными с точки зрения проектирования многопроцессорных реконфигурирующихся комплексов: простота реализации и малые размеры исполняемого кода системы, высокая надежность за счет управления отдельными программными модулями, повышенная отказоустойчивость за счет возможности повторного запуска приложения. Очень хорошо микроядерные ОСРВ показывают себя с точки зрения временных параметров, а именно времени отклика на прерывание и времени переключения между двумя потоками в одном процессе. Главный недостаток микроядерных ОСРВ — недостаточно высокая производительность из-за затрат ресурсов на межпроцессорное взаимодействие.
В БКУ стратегических БЛА различные целевые функции комплекса реализуются в функциональном программном обеспечении (функциональных приложениях), выполняющих задачи управления полетом, навигации, управления общесамолетным оборудованием, целевыми нагрузками, радиосвязью и др. В том числе должно быть предусмотрено системное (специальное) ПО, обеспечивающее формирование, хранение и обработку баз данных, управление конфигурированием БКУ с целью обеспечения безотказности его функционирования.
Основной компонент исполнительной системы БКУ БЛА — рулевой привод11. По видам преобразуемой энергии различают следующие типы приводов: электрогидромеханический, гидравлический, электромеханический и пневматический.
В исполнительной системе БКУ тактических БЛА самое широкое применение нашел электромеханический привод с управлением через отрицательную обратную связь — сервопривод. В тактических БЛА для управления каждой аэродинамической поверхностью устанавливается один сервопривод. В более продвинутых решениях в блок сервоприводов встраивают синхронизированный контроллер сервоприводов, обеспечивающий большую точность управления сервопривода.
В исполнительной системе БКУ оперативных БЛА нашли широкое применение электромеханический и электрогидромеханический приводы. Для приближения показателей надежности к требуемым в БКУ данного класса БЛА широко применяются многосекционные отклоняемые аэродинамические поверхности.
Исполнительная система стратегических БЛА строится не только с резервированием отклоняемых аэродинамических поверхностей, но и с применением резервированных многоканальных приводов. Основное применение в приводах рулевых поверхностей современных стратегических БЛА нашли гидравлические следящие приводы. Среди
11 Оболенский Ю. Г. Управление полетом маневренных самолетов. М.: Воениздат, 2007.
известных преимуществ гидравлического привода отмечают высокий КПД, большой срок службы в условиях непрерывных реверсов и остановок в большом диапазоне температур окружающей среды, которые обеспечивают высокую надежность исполнительной системы БКУ БЛА. Для повышения надежности используют также широко применяемые в пилотируемой авиации пневматические системы, как аварийный способ перевода исполнительной системы БЛА в посадочную конфигурацию12.
Для более полной оценки степени надежности БКУ БЛА необходимо кратко изложить принципы системной организации и обеспечения отказоустойчивости БКУ, которые относятся к цифровым системам управления и организуются по принципу централизованных федеративных или распределенных систем13. Как правило, БКУ малых оперативных (и некоторых тактических) БЛА организуются на базе известных сетевых протоколов обмена информацией (RS-232, RS-438, Ethernet). БКУ оперативных БЛА большой массы, а также стратегических БЛА построены на базе специализированных авиационных интерфейсов (ARINC-429, CAN, AFDX, FibreChannel, SpaceWire). Данные комплексы целесообразно проектировать на принципах децентрализации с применением современных подходов к управлению функциональной избыточностью и учитывать наиболее прогрессивные концепции построения бортового оборудования: интегрированной модульной авионики (ИМА) и автономного необслуживаемого бортового оборудования (АНБО).
В основе концепции ИМА14 лежит открытая сетевая архитектура и единая вычислительная платформа. При этом функции систем выполняют программные приложения, разделяющие общие вычислительные ресурсы. Таким образом осуществляется интеграция и обобщение ресурсов как программного, так и аппаратного обеспечения на одной платформе ИМА. По сравнению с федеративной архитектурой переход к ИМА позволяет существенно снизить весовые и стоимостные характеристики бортового оборудования.
Концепция АНБО15 подразумевает отсутствие необходимости обслуживания комплекса в межсервисные периоды с сохранением требуемых эксплуатационно-технических характеристик, что должно обеспечиваться автоматическим диагностированием своего технического состояния, а также использованием активных средств обеспечения отказобезопасности, позволяющих в случае отказов изменять структуру комплекса для сохранения его функций.
Основными методами повышения надежности являются конструктивные методы структурного, временного, информационного и функционального резервирования. Реализацией структурного метода является резервирование наиболее ответственных каналов (блоков, устройств) с логикой обнаружения отказов и управления резервированной системой, в соответствии с которой осуществляется выбор и подключение одного из каналов системы к ее выходу. Теоретические
12 Руководство по технической эксплуатации № 10К. Книга 4. Часть 1. Самолетные системы. Описание и работа. 1988.
13 Клепиков В.И. Отказоустойчивость распределенных систем управления. М.: Изд. «Золотое сечение», 2014.
14 Федосов Е.А., Косьянчук В.В., Сельвесюк Н.И. Интегрированная модульная ави-оника // Радиоэлектронные технологии. 2015. № 1. С. 66—71.
15 Буков B.H., Боблак И.В., Шурман B.A. Авионика необслуживаемого бортового оборудования как направление опережающего развития авионики // Сб. тез. докладов Все-рос. научно-практ. конф. «Акгаульные вопр. исследований в авионике: теория, облужива-ние, разработки», ВУНЦ ВВС «ВВА», Воронеж, 2014. С. 35-38.
аспекты создания таких резервированных систем и алгоритмы функционирования нечетких логических управляющих устройств описаны в работах16.
Перспективной реализацией функционального метода повышения эксплуатационных характеристик является применение подхода на основе так называемых супервизоров конфигурирования описанный в работе17.
В качестве выводов необходимо отметить, что каждому уровню надежности соответствуют различные способы ее обеспечения в БКУ применительно к измерительной, вычислительной и исполнительной подсистемам. Проведенный анализ принципов построения БКУ БЛА показывает, что на тактических БЛА используются только программные средства резервирования. На оперативных БЛА целесообразно использовать аппаратные средства резервирования в виде многосекционных рулей. Построение перспективного БКУ стратегических БЛА невозможно без использования современных концепций построения бортовых систем: интегрированной модульной авионики и необслуживаемого бортового оборудования с широким применением современных методов обнаружения и локализации отказов. При этом если тактические БЛА допускают наличие одноканальных БКУ, то кратность резервирования подсистем должна соответствовать 2—3 для оперативных и 3—4 для стратегических БЛА. Надежность вычислительной системы при этом определяется используемыми ОСРВ, бортовыми интерфейсами, а также наличием функциональных приложений управления избыточностью БКУ, без которых невозможно достичь предъявляемых требований к надежности высокоинтегрированных распределенных комплексов управления БЛА стратегического класса.
16 Волобуев М.Ф., Демчук B.A., Замыслов М.А. Управление резервированной с помощью мажоритарных элементов системой с применением методов нечеткой логики // Информационные технологии. 2012. № 12; Соколов И.В., Агеев А.М., Волобуев М.Ф., Оценка статистических характеристик сигнала на выходе резервированной системы, управляемой нечетким контроллером // Информационные технологии. 2014. № 8 (196). С. 17—22.
17 Буков B.H., Бронников А.М., Агеев А.М., Гамаюнов И.Ф. Супервизорный метод управления избыточностью технических систем // Известия РАН. Теория и системы управления. 2017. № 3. С. 17-25.
