CC BY
95Роль геоинформационной среды в системе управления робототехническими комплексами военного назначения
Полковник в отставке Н.И. РАЗРОЕВ, кандидат технических наук
Полковник И.М. РУТЬКО, кандидат технических наук
Полковник Б.А. ФИСИЧ, кандидат технических наук
АННОТАЦИЯ
ABSTRACT
Рассмотрены наиболее актуальные вопросы топогеодезического и навигационного обеспечения робототехнических комплексов военного назначения в реальном времени, раскрыта специфика проблем и предложены пути их решения.
The paper examines the more topical issues of topo-geodetic and navigation support of military robotic units in real time, discloses the specifics of the problems and proposes ways of solving the latter.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
KEYWORDS
Геоинформационные ресурсы, пространственные данные, робототехнические комплексы военного назначения, информационно-управляющее пространство, геоинформационная унифицированная и интегрированная моделирующая среда.
Geo-information resources, spatial data, military robotic units, information control space, geo-information unified and integrated modeling environment.
РАЗВИТИЕ робототехнических комплексов военного назначения (РТК ВН) осложняется недостаточной проработанностью существующих методов автоматического управления движением аппарата по местности. Если создание систем автоматического управления (автопилотов) для летательных аппаратов и морских судов является сравнительно простой задачей1, то для наземного транспорта промышленность приблизилась к реализации подобных технологий только сейчас2.
Тем не менее доведенные до практической реализации технологии автоматического управления наземными подвижными аппаратами обеспечивают реализацию своего функционала на дорогах общего
пользования, оборудованных в соответствии с правилами дорожного движения.
Для РТК ВН этого функционала недостаточно. Они должны иметь возможность прокладывать маршруты
вне дорог и двигаться по ним, контролируя свое пространственное положение с использованием как аппаратуры глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), так и с использованием автономных методов.
Применение таких методов предполагает наличие у робота данных о местных пространственных объектах — цифровой карты местности (ЦКМ). При движении по маршруту автоматический аппарат «изучает» окружающую местность с использованием стоящих на борту различного типа сенсоров (технического зрения, инфракрасных датчиков, лазерных дальномеров и т. д.). Получаемые от сенсоров данные сопоставляются с данными ЦКМ. По результатам сличения автоматический аппарат должен определить свое местоположение и направление дальнейшего движения.
Алгоритм автоматического сопоставления ЦКМ с местностью вне дорог крайне тяжело формализовать. Поэтому в ходе решения данной задачи важную роль необходимо отвести интеллектуализации бортовой информационной управляющей системы (БИУС) с использованием функционала и ресурсов геоинформационной унифицированной и интегрированной моделирующей среды (ГУИМС). Особую актуальность применение ГУИМС приобретает с учетом необходимости организации взаимодействия двух и более однотипных, а также разнородных ро-бототехнических комплексов. Здесь необходимо вести речь о формировании единого информационно-управляющего пространства (ЕИУП).
Необходимость формирования ЕИУП проявляется особенно явно, когда силами людей-операторов требуется обеспечить выполнение общей задачи с использованием нескольких автоматических аппаратов, в общем случае — разнородных, например
беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и наземных подвижных автоматических аппаратов (НПАА).
При этом для групп разнородных РТК ВН к основным возможностям ГУИМС в составе единого ИУП можно отнести3:
• использование унифицированных в рамках ЕИУП пространственных данных (ПД) на требуемые территории с обеспечением максимально возможного соответствия данных фактическому состоянию местности и заданных точностных показателей пространственной привязки;
• формирование профильных наборов ПД для каждого класса потребителей, как людей, так и автоматов, с учетом их потребностей и особенностей восприятия геопространственной информации (ГПИ);
• применение единой системы координат и единых правил выполнения оверлейных операций со слоями ПД;
• обеспечение возможности совместного использования разнородной ГПИ из различных источников для повышения точности и детальности базовой ГПИ;
• формирование единой модели геопространства, в котором действуют РТК ВН;
• отражение в единой модели геопространства всех тактически значимых объектов, положение и состояние которых оказывают влияние.
Целевое предназначение ГУИМС — это прежде всего подготовка вариантов решений на выполнение боевых задач силами разнородных образцов РТК ВН. Данная проблема неразрывно связана с ситуационной осведомленностью в части тактической обстановки, которая позволяет в совокупности оценивать все факторы, оказывающие существенное влияние на действия РТК ВН.
К ним относятся: текущие местоположение, направление (маршрут)
и скорость движения каждого робота в районе боевых действий (коорди-натно-временные и навигационные параметры); тактические свойства местности с учетом природных и техногенных факторов; свойства проходимости местности (рельеф, наличие препятствий и укрытий, дорожная сеть и др.); климатические и метеорологические характеристики конкретных территорий и др.
Часть этих факторов, включая результаты геодезических и навигационных измерений для мобильных объектов, имеет пространственно-временной характер, что требует создания новых геоинформационных продуктов, например моделей изучения текущей ситуации с использованием геоинформационных систем (ГИС) нового поколения4.
В этой связи следует выделить сертифицированную ГИС «Интегра 4Д-Планета Земля», которая является единственной в мире системой, где все объекты, датчики, устройства и даже видеоизображения привязаны к географическим координатам и времени, что позволяет получать виртуальные 4D модели с объективной реальностью5!
Такие модели позволят непрерывно и точно отображать истинное местоположение и состояние образцов РТК ВН, передавая динамику автономных действий при проведении оценочных расчетов и принятии эффективных решений для организации целенаправленного взаимодействия.
Практику применения ГУИМС необходимо тесно связать с решением следующих задач:
• сбор, обработка данных измерений, поступающих от различных датчиков и сенсоров;
• оценка обстановки, разработка порядка решения РТК ВН поставленной задачи (в частности, прокладка маршрутов движения к цели);
• анализ результатов выполнения группой разнородных РТК ВН боевой задачи.
Поэтому ГУИМС не должна ограничиваться только сферой использования базовых геоинформационных ресурсов и программных средств работы с ними. В рамках ГУИМС необходимо иметь широкий спектр программных средств пространственного анализа и имитационного моделирования (ИМ), формирования и исследования пространственно-динамических моделей обстановки. При практическом использовании ИМ требуется наличие унифицированной моделирующей среды, на базе которой можно было бы оперативно создавать приложения для проведения пользователем имитационного исследования ситуации на поле боя6.
Основной особенностью ИМ является учет совокупности всех исходных данных, отражающих динамику взаимодействия мобильных объектов между собой, а также изменения тактической обстановки, погодных и климатических условий. Например, в процессе моделирования основной миссии наземного образца РТК ВН потребуется решение вспомогательных задач, связанных, в частности, с топопривязкой позиций, определением текущих координат и элементов движения противодействующих объектов, построением оптимальной (в определенном смысле) траектории своего движения и т. п.
В соответствии с изложенными аргументами основными научно-техническими требованиями, предъявляемым к ГУИМС, следует считать:
• удовлетворение фактической потребности в ПД каждого образца РТК ВН, а также органов управления РТК ВН;
• обеспечение бесперебойного функционирования в любых условиях обстановки гибкой системы позиционирования подвижных объектов
(в первую очередь собственно роботов, но также и взаимодействующих подвижных единиц, управляемых непосредственно человеком);
• непрерывное наращивание геоинформационной обеспеченности всех элементов ЕИУП за счет использования датчиков и сенсоров, установленных на РТК ВН и других взаимодействующих подвижных объектах;
• гибкое, комплексное использование данных измерений и результатов решения расчетно-аналитических задач в интересах управления РТК ВН;
• широкое использование средств и методов распознавания образов с предметно-структурированной классификацией объектового представления реального мира;
• широкое применение гибких средств и методов имитационного моделирования.
С учетом отмеченных требований можно сформулировать следующие основополагающие принципы построения ГУИМС:
первый — унификация интерфейса пользователя, а также интерфейсов с автономными подвижными роботизированными аппаратами;
второй — унификация в рамках ГУИМС структур баз пространственных данных;
третий — унификация системных классификаторов и словарей, а также других элементов информационного и лингвистического обеспечения ГУИМС;
четвертый — применение средств визуального проектирования имитационных моделей тактической обстановки и других проблемно-ориентированных приложений ГУИМС без необходимости непосредственного написания программного кода модели на языке программирования;
пятый — унификация протоколов взаимодействия (обмена данными и вызова программных функций)
на основе международных и отечественных стандартов;
шестой — обеспечение определения (уточнения) значений метрических и атрибутивных параметров тактически значимых пространственных объектов на основе данных дистанционного зондирования Земли с воздуха и из космоса, перспективных фото- и видеоизображений в различных диапазонах спектра, данных лазерных и радиолокационных измерений, а также от датчиков и сенсоров других типов.
Целесообразно выделить основные черты, связанные с процессом визуализации геоинформационных продуктов.
Для обеспечения работы людей, управляющих РТК ВН, в ГУИМС должны быть реализованы технологии визуализации, которые отличают следующие основные черты:
• компьютерное генерирование изображений местности на основе хранимых в ГУИМС пространственных данных;
• степень детализации и особенности объектового состава геоизображения должны определяться с учетом требований решаемой задачи;
• широкое использование технологий Эй-моделирования, когнитивной графики, анимации, дополненной реальности;
• применение автоматической генерализации-детализации геоизображения с использованием взаимной замены метрических и статистических параметров пространственных объектов;
• использование изображений пространственных объектов в качестве гиперссылок, указывающих на дополнительные информационные ресурсы по данному объекту и объектам, связанным с данным.
Использование интегрированных ресурсов ГУИМС позволит повысить точность и оперативность планиро-
вания взаимосвязанных действий, например воздушных и наземных РТК ВН, и станет важным фактором повышения качества их взаимодействия.
В целом можно считать, что ГУИМС может стать гибким инструментарием создания пространственно-временных моделей для реальных или прогнозируемых ситуаций, позволяющим осуществлять интерактивное регулирование взаимодействия при управлении группами разнородных РТК ВН.
Если на мобильные пункты и стационарные центры интерактивного управления РТК ВН станут непрерывно поступать большие объемы информации, то будет очень трудно оценивать ситуационную обстановку, обобщать получаемые сведения и принимать верные решения. В то же время в процессе динамичного отслеживания изменений ситуации на поле боя может возникать огромное количество неопределенностей: перемещаются цели и средства поражения, меняются их количество и тип. Оказывают влияние и другие факторы. Решение, принятое с опозданием, уже не окажется эффективным.
Для РТК ВН требуется такая система управления боем, которая будет способна в автоматическом режиме воспринимать пространственно-временную информацию от каждого сенсорного средства, интегрировать данные с использованием единой координатной основы, идентифицировать даже замаскированные типовые объекты противника, производить расчеты для целеуказаний. При этом командир должен вмешиваться в процесс управления только в критических случаях. Поэтому ГУИМС должна опираться на элементы искусственного интеллекта (ИИ). Только ИИ обеспечит повышение качества принимаемых решений, реализацию реального контроля ситуации и адекватное управление ходом боя.
Основной особенностью ИМ является учет совокупности всех исходных
данных, отражающих динамику взаимодействия мобильных объектов между собой, а также изменения тактической обстановки, погодных и климатических условий.
При таком подходе предъявляются особые требования к средствам:
• технической разведки, которые осуществляют сбор информации об окружающей обстановке в реальном времени;
• навигации, которые обеспечат непрерывное позиционирование местоположения образцов РТК ВН;
• геодезии, с помощью которых обеспечивается единство пространственной системы координат на поле боя;
• адаптивной интеграции ПД с разведывательной информацией (поступающей от средств оптико-электронной, радиолокационной, лазерной, акустической, тепловой и другой аппаратуры) для самостоятельной идентификации координат целей и выработки решения на уничтожение;
• защищенной связи, которые реализуют передачу больших потоков данных на пункты обработки и отображения, а также доведение целеуказаний до каждого образца РТК ВН.
При этом ставка делается на системы СР5/ГЛОНАСС, корреляционно-экстремальные навигационные системы, бесплатформенные инер-циальные системы, перспективные системы технического зрения, миниатюризацию сенсорных датчиков и приемников, а также бортовые средства обработки данных и автоматической ретрансляции результатов в защищенном режиме.
В данном направлении научно-технической деятельности уже сформированы основные концептуальные представления, связанные с общей теорией моделирования, картографической семиотикой, пространственной привязкой наземных наблюдений и данных воздушных и аэрокосмических съемок, высокоточной цифровой обработкой оптико-электронных, лазерных, инфракрасных и радиолокационных снимков, другими инновационными научными достижениями. Также следует особо подчеркнуть, что информация, циркулирующая в ГУИМС, должна носить объектно ориентированный характер, позволяющий собирать и объединять данные из разных источников. При этом в ЕИУП робо-тотехнического формирования каждому образцу РТК ВН должен соответствовать определенный набор пространственно-временных атрибутов, соотнесенных со временем их определения. Все это поможет добиться существенного повышения военно-прикладной значимости ГУИМС.
В этой связи большое значение имеет создание инфраструктуры ГУИМС на основе комплексного системного подхода, обеспечивающего имитационное моделирование с использованием логико-лингвистических средств географической экспертной системы (ГЭС).
Географическая экспертная система должна представлять собой гибридный элемент интеллектуальной 4й ГИС, который состоит из набора взаимосвязанных и взаимозависимых компонентов, таких как база пространственной и атрибутивной информации (данные дистанционного зондирования, карты, планы, схемы и другая географическая информация) и базы знаний, а также механизмы ввода-вывода данных и пользовательского интерфейса. ГЭС должна обеспечивать интеграцию формали-
зованных знаний предметной области (в процессе формализации знания организовываются в правила в форме «ЕСЛИ... ТО») с данными дистанционного зондирования, которую необходимо проводить при оценке территорий и объектов на них. При этом пространственная и атрибутивная информация каждого ГИС-слоя будет использоваться для формирования условий, которые необходимы для получения точного и своевременного анализа территории (с использованием базы знаний) при поступлении пространственных данных в режиме реального времени.
Причем математический аппарат, применяемый при исследовании пространственно-временных отношений, должен априорно анализировать такие параметры территориальной и навигационной обстановки, как время, пространство, действия, отношения причин и следствий.
Кроме того, должны учитываться функции принадлежности, а также использоваться нечеткие множества и атрибутивная семантика, содержащая лингвистические шкалы расстояний и направлений.
В этой связи целесообразно отметить, что целый ряд стран уже давно осуществляют активную разработку и применение ГЭС для военных целей, например в части интеграции процессов для основных элементов боевой системы C4I (command, control, communications, computation, andintelligence) — командование [руководство], управление, связь, компьютерное обеспечение и разведка7.
Разработка интеллектуальной по функционалу и интегрированной по ресурсам ГУИМС позволит:
• формировать бесшовную геопространственную основу;
• осуществлять позиционирование и наведение на принципах широкого использования свойств геофизических полей Земли;
• повышать достоверность и целостность решений за счет расширенного состава обработанных и интегрированных данных;
• переложить выполнение трудно формализуемых задач на средства ИИ;
• способствовать многовариантному анализу сложных задач и автоматическому формированию решений, которые будут приниматься в окончательном виде, приводить к значимым результатам.
К основным преимуществам ГУИМС можно прежде всего отнести:
• оперативный контроль передвижения наземных образцов РТК ВН на различных по сложности участках местности;
• высокоточное навигационное обеспечение разнородных образцов РТК ВН;
• групповое управление движением и оружием на основе совместной обработки данных, поступающих от различных бортовых средств наземных РТК ВН и БПЛА;
• широкое использование аналитических возможностей пространственного моделирования;
• пространственно-временную координацию действий тактических групп;
• учет взаимосвязей и динамичности пространственно-временных отношений при управлении движением и оружием;
В ЕИУПробототехнического формирования каждому образцу РТК ВН должен соответствовать определенный набор пространственно-временных атрибутов, соотнесенных со временем их определения. Все это поможет добиться существенного повышения военно-прикладной значимости ГУИМС.
• расширение спектра подготавливаемых и качества принимаемых решений, определяемых назначением, масштабом представления, тематикой, уровнем изученности, географическими особенностями.
В целом в ходе практической реализации в ГУИМС предлагаемых инновационных подходов потребуется совместное использование современных методов геодезии, картографии, фотограмметрии, навигации, искусственного интеллекта, виртуальной и дополненной реальности, других научно-прикладных методологий.
При этом потребуется решить следующие научно-практические задачи: первая — формирование телекоммуникационной инфраструктуры с учетом обеспечения высокой точности, достоверности, унификации, стандартизации, структурной агрегации и безопасности данных;
вторая — создание систем технического зрения, использующих технологии нейросетевой обработки больших потоков видеоданных;
третья — разработка высокопроизводительного сервера и средств защищенной связи, образующих совместно с разноплановыми функциональными модулями технического зрения инфраструктуру интеллектуальной геоинформационной платформы (ИГИП).
Формирование ИГИП, не уступающей по тактико-техническим характеристикам мировым аналогам и обеспечивающей геоинформационную поддержку принимаемых решений. В центрах принятия решений ИГИП будет использоваться по единой логической схеме, но с различными пространственно-временными масштабами, позиционными координатами и численностью привлекаемых образцов в групповых формированиях РТК ВН. В целом соединение в рамках «сквозного» технологического уклада результатов, востребованных сразу в несколь-
ких направлениях (например, в области разноканальных и многоспектральных систем технического зрения или теории распознавания образов), обеспечит революционное развитие ГУИМС.
Специфика предлагаемых научно-теоретических и военно-прикладных инноваций позволит в итоге учесть: технологические особенности различных типов ГПИ; потребность совместного применения геоинформационных ресурсов и данных многоспектральных систем технического зрения; внешние условия и характерные особенности реально складывающейся ситуации.
Получаемый при этом синергети-ческий эффект (по точности огневого поражения, маневру, управлению, живучести и другим критериям) будет достигаться через повышение степени соответствия ГПИ местности, повышение точности и оперативно-
сти позиционирования подвижного объекта на поле боя, повышение оперативности оценки командиром обстановки на поле боя8.
Такой инструментарий станет востребованной и экономически выгодной базой, позволяющей количественно оценивать эффективность применения РТК ВН как при проведении государственных испытаний, так и в ходе учений или реальных боевых действий.
Поэтому очень важно, чтобы в ходе дальнейших исследований были разработаны методология и практические механизмы, позволяющие на базе технологий ИИ и современных геоинформационных технологий разрабатывать перспективные решения, связанные с планированием, регулированием, контролем и анализом различных вариантов применения РТК ВН.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Гусев А.Н. Системы автоматического управления самолетом: учебное пособие. Самара: Самар, гос. аэрокосм. ун-т, 2004. 138 с.
2 Суомалайнен А. Беспилотники: автомобили, дроны, мультикоптеры. М.: ДМК-Пресс, 2018. 120 с.
3 Разроев Н.И. Геоинформационная моделирующая среда как парадигма достижения автономности и адаптивности робототехнических комплексов // Сборник докладов и выступлений на III Военно-научной конференции ВТУ ГШ «Пути повышения эффективности топогеодези-ческого и навигационного обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации». 2019. С. 70—75.
4 Булатов О.Г., Фадеев О.А., Кочетов О.А. Физико-географические факторы, влияющие на выработку тактико-технических требований к робототехническим комплексам военного назначения // Наука и военная безопасность. 2018. № 3(14). С. 5—10.
5 Изобретение № 2602389. Способ и устройство управления видеоизображением по координатам местности. Дата регистрации: 2016.10.21. Дата начала действия: 2014.11.27. URL: http://www. patentinform.ru>inventions/reg-2602389. html (дата обращения: 22.09.2020).
6 Власов С.А., Девятков В.В., Девят-ков Т.В. Универсальная моделирующая среда для разработки имитационных приложений // Информационные технологии и вычислительные системы. 2009. № 2. С. 5—12.
7 MILC4I — Боевая система (электронный ресурс: официальный сайт компании AT Communication International AG). URL: http:// at-communication.com (дата обращения: 22.09.2020).
8 Разроев Н.И., Рутько И.М. Проблемы геоинформационного обеспечения организации действий и группового взаимодействия робототехнических комплексов военного назначения // Военная Мысль. 2018. № 6. С. 51—57.
