К вопросу о системах управления беспилотными воздушными судами



В статье приведен краткий анализ состояния систем управления БВС, рассмотрены проблемные вопросы. Выделены тенденции развития систем управления БВС. Сделаны выводы об эффективности применения БВС при соответствующем уровне развития систем управления.

Ключевые слова: беспилотное воздушное судно, системы управления, автономное управление, групповое управление

Важнейшим компонентом беспилотного воздушного судна (далее — БВС) является система управления, которая обеспечивают управление движением и функционированием подсистем БВС в ходе его взаимодействия с окружающей средой.

Показатели системы управления характеризуют уровень функциональности, автономности и безопасности применения БВС. При этом как правило, рассматриваются два основных контура управления БВС: внутренний, выполняющий управление подсистемами БВС и внешний, обеспечивающий функционирование полезной нагрузки и применение БВС по предназначению.

В последние годы в развитии системы управления БВС наметилась тенденция ускоренного перехода от простейших форм интерактивного управления, основанного на дистанционном обмене данными и командами между оператором-командиром и бортовой частью БВС, к супервизорному управлению и к последующей реализации режимов автономного функционирования БВС.

Обязательным требованием к организации супервизорного управления является повышение автономности бортовых систем БВС за счет передачи части функций, например, обеспечения движения БВС, бортовой системе управления.

Автономные БВС не нуждаются в операторе, постоянно управляющим движением судна. Функции оператора выполняет автономная система управления, размещенная непосредственно на борту мобильного БВС. Система дистанционного управления при этом используется исключительно для передачи задания на борт БВС и получения телеметрических данных от систем БВС о ходе выполнения им поставленных задач.

Конструкция современных систем управления БВС часто объединяет в своем составе совокупность установленных на борту вычислителей, навигационных систем, исполнительных механизмов, датчиков среды необходимое программно-алгоритмическое обеспечение, включая систему технического зрения (далее — СТЗ).

В настоящее время за рубежом ведется разработка технологий управления БВС и их системами по нескольким направлениям, начиная от вариантов дистанционного управления и заканчивая полностью автономными режимами группового управления БВС. Основным видам управления при этом соответствуют технологии:

— дистанционного и супервизорного управления;

— автономного управления движением одиночных и групповых БВС;

— автономного управления движением и выполнением задач по назначению одиночных БВС;

— автономного группового управления движением и выполнением задач по назначению.

Проблемные вопросы развития систем управления:

1. Слабый научно-технический задел в области методов и средств автономного управления, недостаточно развитая теория систем с самообучением, прикладные разделы теории адаптивных и самонастраивающихся систем.
2. Недостаточная проработка методов группового управления БВС, особенно в условиях неопределённости, противодействия, функционирования в конфликтных средах в части, касающейся технологий:

— создания аппаратных и программных средств информационного взаимодействия БВС в группах и групп БВС между собой;

— групповой идентификации, целеуказания и целесопровождения;

— децентрализованного принятия решений и управления функционированием БВС;

— планирования и управления движением группировок БВС;

— исследования эффективности и оптимизации применения БВС, с использованием комплексов моделирования и поддержки принятия решений.

3. Подверженность системы управления внешнему вмешательству (спуфинг) в управление БВС путем перехвата управления, нарушения целостности передаваемой информации в условиях помех и применения средств РЭБ, прерывания связи между пунктами управления и бортовыми системами управления БВС.
4. Недостаточный уровень развития элементной и технологической базы, необходимой для эффективной аппаратно-программной реализации алгоритмов управления БВС, учитывающих их иерархическое и межвидовое взаимодействие с другими видами специальной техники.
5. Недостаточная проработка вопросов автоматизации процессов принятий решений при управлении БВС.

Перспективы развития систем управления:

1. Повышение автономности управления функционированием БВС за счет развития следующих технологий:

— программно-алгоритмического обеспечения контроля, и прогнозирования поведения БВС с адаптацией к неопределенной среде;

— оценки характеристик сложной динамической среды, автономного планирования движения БВС с принятием решения, например, о выборе наилучшего маршрута в условиях изменяющихся препятствий;

— автоматического наведения на цель (стационарную, подвижную, движущуюся) в условиях изменчивого фона без участия оператора;

— разработки интеллектуальных систем управления с динамической адаптацией, обучением, самообучением;

— распознавания объектов и процессов на основе использования нейросетевых алгоритмов с элементами самообучения на основе последних достижений в области глубокого обучения и обучения с подкреплением;

— обучения нейронных сетей, связанных с интеллектуальными агентами, действующими в виртуальной среде;

— глубокого обучения нейронных сетей с использованием баз знаний (онтологий) и программ логического вывода;

— принятия решений в условиях многокритериальности и наличия множества вариантов решения, разрешения противоречивых задач;

— получения и извлечения знаний из накапливаемой информации.

2. Создание и применение в БВС систем управления с биологической обратной связью. Такие технологические решения позволяют человеку взаимодействовать с техническими устройствами, преобразуя сигналы активности мозга в управляющие команды. Важной особенностью систем BC является то, что они должны работать в реальном времени, формируя управляющие сигналы с минимальной задержкой. В качестве инструменов получения информации о биоэлектрической активности мозга в настоящее время используются, как правило, электроэнцефалографы.
3. Повышение уровня интеллектуализации управления на всех уровнях, включая:

— уровень целеполагания, обеспечивающий формирование целевых функций, критериев их выполнения, оценку выполнимости задач, взаимодействие со стратегическим уровнем управления и корректировку целей;

— уровень планирования действий;

— уровень управления, движением;

— уровень выполнения целевых задач.

4. Создание системы управления БВС с распределенной архитектурой, включающей уровни планирования и управления движением, управления подсистемами обработки и комплексирования сенсорной информации, исполнительными механизмами, управления энергообеспечением, управления полезной нагрузкой, средствами диагностики и безопасности, обеспечивая при этом простоту и удобство в обслуживании и эксплуатации.

5. Развитие аппаратных средств для перспективных систем управления БВС, включая:

— разработку высокопроизводительных вычислителей, позволяющих решать в реальном времени задачи моделирования и прогнозирования поведения БВС в сложных средах;

— улучшение точности исполнительных механизмов, навигационных систем и датчиков среды (включая СТЗ);

— создание технологий управления, обеспечивающих необходимый запас живучести, т. е. заданное качество функционирования БВС при внезапном ухудшении характеристиках аппаратуры, отказах, повреждениях;

6. Развитие методов и средств антиспуффинга, обеспечивающих автоматизированный и в последующем — автоматический мониторинг состояния киберсреды, адаптацию форматов команд управления и характеристик каналов их передачи в целях обеспечения целостности и устойчивости управления в условиях кибератак.

Эффективное применение БВС возможно при соответствующем уровне развития информационного, аппаратного и программного обеспечения системы управления, который может быть достигнут реализацией мероприятий по следующим направлениям:

— разработкой перспективных технологий обработки, анализа и распределения информации, использующих унифицированные инструментарии ее обработки и форматы передачи;

— разработкой технологий построения автоматизированных и информационно-управляющих систем БВС, технологий информационного взаимодействия одиночных БВС и групп БВС;

— разработкой технологий информационного и программного обеспечения систем управления БВС;

— созданием технологий высокозащищенных систем связи и передачи данных;

— разработкой технологий встраивания БВС в общую систему управления войсками и оружием;

— разработкой технологий обеспечения безопасности и защиты информации систем управления БВС.

В качестве приоритетных направлений развития технологий управления БВС можно выделить следующие:

1) в рамках развития технологий дистанционного и супервизорного управления БВС:

— совершенствование методов и средств взаимодействия операторов с БВС;

— поиск и внедрение способов освобождения операторов от рутинных операций при управлении БВС и сокращение состава расчетов дистанционного управления БВС;

— построение трехмерных моделей среды движения и систем поддержки оператора БВС в целях улучшения его ситуационной осведомленности;

2) в рамках развития технологий автономного управления одиночными БВС в заданных режимах:

— методы автоматического планирования и адаптивного изменения маршрута движения БВС по цифровой карте местности и во взаимодействии с СТЗ;

— методы автоматического обхода стационарных и нестационарных препятствий;

— методы автоматической посадки БВС на площадку ограниченных размеров без специального оборудования или на подвижную платформу (например, на палубу корабля);

3) в рамках развития технологий автономного управления с целеполаганием и адаптацией к среде:

— повышение точности и быстродействия методов и алгоритмов оценки состояния среды;

— развитие методов прогнозирования развития условий обстановки функционирования БВС;

— развитие методов интеллектуального планирования движения и поведения БВС в условиях неопределенности среды и/или ограниченной сенсорной информации;

4) в рамках развития технологий группового управления БВС:

— методы и алгоритмы децентрализованного группового управления движением и поведением БВС;

— методы и алгоритмы группового целеполагания и целераспределения в динамической среде;

— мультиагентные технологии управления;

— методы и алгоритмы формирования группами БВС с использованием единого информационно-навигационного поля в области выполнения задачи.

Литература:

1. Наумов Р. С., Михайлин И. С., Дрозд А. С., Благодарящев И. В. Предложения по приоритетным направлениям исследований в области коммерческих беспилотных авиационных систем // Сборник трудов V научно-практической конференции «Управление научными исследованиями и разработками: роль науки в достижении национальных целей» (04 декабря 2019 г.). ‒ М: ООО «Гарант-Инвест», Издательство «Перо», 2020. ‒ 208 c. ‒ С. 168–180.
2. Прокопьев И.В, Бецков А. В. Структура системы управления беспилотных летательных аппаратов специального назначения // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество» — 2012.
3. Лоскутников А. А., Сенюшкин Н. С., Парамонов В. В. Системы автоматического управления БПЛА // Молодой ученый. — 2011. — № 9 (32). — С. 56–58.
4. Иванова И. А., Никонов В. В., Царева А. А. Способы организации управления беспилотными летательными аппаратами // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук — 2014.