Здесь и далее будем понимать совокупность всех материальных и информационных


с. 1 с. 2 с. 3

5 Анализ эволюции БСУ на этапе

бортовых интегрированных систем управления (БИСУ)

(конец 1990-х – начало 2000 годов)
5.1 Историческая справка
В рассматриваемый период происходит модернизация и разработка сравнительно небольшой номенклатуры новых торпед. Причем при разработке всех современных торпед бортовые системы изменяются кардинально, в то время как их корпусно-механическая часть, как правило, лишь модернизируется. Примером может служить поиск путей развития торпедного оружия США, приведший к созданию торпеды МК54 калибра 324мм [Л5.1], пришедшей на замену самой массовой торпеды МК46. Первоначально торпеду МК46 предполагалось заменить торпедой МК50 с новым энерго-движительным комплексом и цифровой бортовой системой, но данный проект не был реализован из-за большой стоимости торпеды. Тогда и было принято решение создать торпеду МК54 на базе энерго-движительного комплекса торпеды МК46, обновив лишь БСУ. Бортовая система торпеды МК 54 содержит 24 сигнальных микропроцессора класса TMS 320C40, что обеспечивает трехкратное увеличение вычислительных ресурсов по сравнению с ресурсами наиболее “интеллектуальной” из цифровых - торпеды МК48 мод.6. Функциональная направленность развития БСУ при этом состоит в комплексировании навигационных и акустических информационных потоков с целью более эффективного решения задач распознавания цели и оптимизации траектории торпеды вблизи нее. Заметим, что характерной структурной особенностью современных торпедных БСУ является развитие в них вторичных подсистем, которые черпают подлежащую в них обработке (комплексированию) информацию не с измерительных датчиков (как первичные подсистемы), а с выхода первичных подсистем.

Во второй половине 1990-х годов интенсивно развивается концепция интеграции всех бортовых систем в единую систему. Известны работы, в которых интеграция охватила не только бортовые торпедные, но и корабельные системы, которые были объединены в единую корабельно-торпедную систему с изменяющейся в процессе подготовки и выполнения боевой задачи структурой. Так, осенью 1996 и весной 1998 годов [Л5.2] в акватории города Феодосии были проведены морские испытания экспериментального образца первой отечественной антиторпеды разработки ГНПП “Регион”, в которых разыгрывалась дуэльная ситуация между торпедой-целью и антиторпедой. Бортовые системы антиторпеды и торпеды-цели были разработаны по технологии бортовых интегрированных систем управления (БИСУ), обеспечивающих на борту этих изделий единое информационное пространство и информационный доступ через бортовые соединители ко всем системным ресурсам изделий. В качестве вычислительного ядра корабельно-торпедной системы использовалась ПЭВМ, установленная на корабле и подключенная к бортовым системам изделий по информационным каналам через бортовые соединители. В проводимом дуэльном эксперименте было очень важно обеспечить движение изделий в единой системе координат и в едином времени, в то время как опытовый корабль не имел необходимой для проведения эксперимента навигационно-управляющей системы. Задача была решена путем конфигурирования на информационном уровне корабельной навигационно-управляющей системы из ресурсов бортовых систем изделий и корабельной ПЭВМ непосредственно перед пуском. Сначала временно созданная система подготовила необходимые для пуска данные. Затем она была переконфигурирована в пусковую систему, в которую были введены полученные пусковые данные, и которая обеспечила проведение пусков антиторпеды и торпеды-цели по необходимой для осуществления дуэли программе.

Отечественные бортовые системы, создаваемые по технологии БИСУ, испытывались в 1999 году и позднее [Л5.3]. Они подтвердили высокие технические характеристики БИСУ, удобство экспериментальной отработки, эффективность выявления узких мест, оперативность обнаружения и исправления ошибок. В настоящее время технология БИСУ применяется для разработки большинства перспективных отечественных торпед. Концепция этой технологии, излагаемая в настоящем разделе, разрабатывалась на основе анализа динамики развития торпедных БСУ и современных тенденций развития элементного базиса.
5 Анализ эволюции БСУ на этапе

бортовых интегрированных систем управления (БИСУ)

(конец 1990-х – начало 2000 годов)
5.1 Историческая справка
В рассматриваемый период происходит модернизация и разработка сравнительно небольшой номенклатуры новых торпед. Причем при разработке всех современных торпед бортовые системы изменяются кардинально, в то время как их корпусно-механическая часть, как правило, лишь модернизируется. Примером может служить поиск путей развития торпедного оружия США, приведший к созданию торпеды МК54 калибра 324мм [Л5.1], пришедшей на замену самой массовой торпеды МК46. Первоначально торпеду МК46 предполагалось заменить торпедой МК50 с новым энерго-движительным комплексом и цифровой бортовой системой, но данный проект не был реализован из-за большой стоимости торпеды. Тогда и было принято решение создать торпеду МК54 на базе энерго-движительного комплекса торпеды МК46, обновив лишь БСУ. Бортовая вычислительная система торпеды МК 54 содержит 24 сигнальных микропроцессора класса TMS 320C40, что обеспечивает трехкратное увеличение вычислительных ресурсов по сравнению с ресурсами современной “интеллектуальной” цифровой торпеды МК48 мод.6. Функциональная направленность развития БСУ при этом состоит в комплексировании навигационных и акустических информационных потоков с целью более эффективного решения задач распознавания цели и оптимизации траектории торпеды вблизи нее. Заметим, что характерной структурной особенностью современных торпедных БСУ является развитие в них вторичных подсистем, которые черпают подлежащую в них обработке (комплексированию) информацию не с измерительных датчиков (как первичные подсистемы), а с выхода первичных подсистем.

Во второй половине 1990-х годов интенсивно развивается концепция интеграции всех бортовых систем в единую систему. Известны работы, в которых интеграция охватывает не только бортовые торпедные, но и корабельные системы, которые объединяются в единую корабельно-торпедную систему с изменяющейся в процессе подготовки и выполнения боевой задачи структурой. Так, осенью 1996 и весной 1998 годов [Л5.2] в акватории города Феодосии были проведены морские испытания экспериментального образца первой отечественной антиторпеды разработки ГНПП “Регион”, в которых имитировалась дуэль между торпедой-целью и антиторпедой. Бортовые системы антиторпеды и торпеды-цели были разработаны по технологии бортовых интегрированных систем управления (БИСУ), обеспечивающих на борту этих изделий единое информационное пространство и информационный доступ через бортовые соединители ко всем системным ресурсам изделий. В качестве вычислительного ядра корабельно-торпедной системы использовалась ПЭВМ, установленная на корабле и подключенная к бортовым системам изделий по информационным каналам через бортовые соединители. В проводимом дуэльном эксперименте было очень важно обеспечить движение изделий в единой системе координат и в едином времени, в то время как опытовый корабль не имел необходимой для проведения эксперимента навигационно-управляющей системы. Задача была решена путем конфигурирования на информационном уровне корабельной навигационно-управляющей системы из ресурсов бортовых систем изделий и корабельной ПЭВМ непосредственно перед пуском. Сначала временно созданная система подготовила необходимые для пуска данные. Затем она была переконфигурирована в пусковую систему, в которую были введены полученные пусковые данные, и которая обеспечила проведение пусков антиторпеды и торпеды-цели по необходимой для осуществления дуэли программе.

Отечественные бортовые системы, создаваемые по технологии БИСУ, испытывались в 1999 году и позднее [Л5.3]. Они подтвердили высокие технические характеристики БИСУ, удобство экспериментальной отработки, эффективность выявления узких мест, оперативность обнаружения и исправления ошибок. В настоящее время технология БИСУ применяется для разработки большинства перспективных отечественных торпед. Концепция этой технологии, излагаемая в настоящем разделе, разрабатывалась на основе анализа динамики развития торпедных БСУ и современных тенденций развития элементного базиса.
5.2 Разработка архитектуры современной БСУ

на основе анализа ее эволюции
В разделе 4 (4.4 п.7) отмечалось, что электронным цифровым БСУ присуще архитектурное противоречие, связанное с наследованием специализированных межсистемных связей от электронных аналоговых БСУ. Современная микропроцессорная электроника позволяет специфику этих связей учесть в памяти инструкций, а сами связи заменить универсальными информационными коммуникациями, что является гармоничным распространением архитектуры электронного цифрового решающего устройства на системный уровень. Проявление лояльности разработчиков к упомянутому противоречию можно объяснить сложившимися традициями по декомпозиции БСУ, предполагающими применение функционально-конструктивных методов, а также несовершенством (в то время) элементного базиса для решения подобных задач. Специализированные межсистемные связи обеспечивают четко регламентированные границы между подсистемами БСУ, что и предполагает применение функционально-конструктивных методов декомпозиции. Универсальные информационные коммуникации, напротив, объединяют решающие устройства всех подсистем БСУ в единую вычислительную сеть, что, с одной стороны, “размывает” границы между подсистемами БСУ, перенося их значительную часть в информационное сетевое пространство, а с другой стороны, требует освоение разработчиками новых, на то время, нетрадиционных подходов к разработке объединяемых в вычислительную сеть решающих устройств.

Если не связывать разрабатываемый с традиционным подходом к декомпозиции БСУ, предполагающим применение функционально-конструктивного метода декомпозиции, и учесть современные достижения элементного базиса, то, основываясь на результатах проведенного в разделах 2…4 анализа, можно предложить следующую концепцию формирования архитектуры современной БСУ.

Центральное место при формировании архитектуры современных БСУ занимают решающие устройства. Их архитектура определяет множество потенциальных архитектурных решений на системном уровне. Наиболее предпочтительной является архитектура системы, полученная распространением архитектурных решений решающего устройства на системный уровень, т. к. архитектура системной надстройки, в этом случае, является расширением архитектуры решающего устройства и не снижает потенциал его функциональности (в частности, свойство гибкости), а наследует его. Определим сначала архитектуру современного бортового решающего устройства, основываясь на современных достижений элементного базиса и на анализе динамики архитектуры его предшественников на всем интервале развития БСУ. Затем распространим его архитектурные решения на системный уровень.

Архитектурные схемы электронных аналоговых и цифровых решающих устройств (рисунки 3.9 и 4.6) фиксируют принципиальные архитектурные решения, являющиеся реакцией на скачкообразное развитие элементного базиса, выработанной эволюционным фильтром в процессе их развития в результате рационального выбора из многообразия всевозможных вариантов. Эти схемы отражают динамику механизмов обеспечения гибкости через придание группе элементов решающего устройства свойства универсальности. Так на этапе электронных аналоговых БСУ свойство универсальности решающего устройства (рисунок 3.9) проявлялось лишь на уровне несвязанных между собой унифицированных элементов – операционных усилителей. Элементы системы связей на всех уровнях были специализированными и жестко фиксировали в себе электронный аналог информационной составляющей БСУ. Т.е. информационная составляющая “растворялась” в пространстве всего решающего устройства. По этой причине свойство гибкости могло быть обеспечено лишь технологичностью конструктивного доступа к заранее предусмотренным компонентам, и то, - в крайне ограниченном объеме.

На этапе электронных цифровых БСУ на смену унифицированных элементов решающего устройства (рисунок 4.6) пришли универсальные элементы – процессор, оперативная память и универсальные информационные коммуникации. Универсальность при соответствующей функциональности этого крайне ограниченного и фиксированного числа элементов позволила трансформировать пространственный электронный аналог информационной составляющей БСУ, реализуемый в электронном аналоговом решающем устройстве, в последовательность выполнения посредством этих универсальных элементов заранее запрограммированных инструкций. Т.е. информационная составляющая сконцентрировалась во внешней по отношению к этим универсальным элементам памяти инструкций, носитель которой занимает (относительно габаритов решающего устройства) малые объемы. В результате, благодаря увеличению доли универсальных компонентов решающего устройства и концентрации информационной составляющей в малых объемах (микросхемах памяти), решения по обеспечению свойства гибкости данного класса БСУ оказываются существенно технологичней, чем для класса электронных аналоговых БСУ.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы. В процессе развития доля универсальных элементов решающего устройства растет, причем их функциональность ориентирована на уменьшение доли специализированных элементов, основными представителями которых являются носители информационной составляющей, что приводит к процессу концентрации информационной составляющей в малых объемах, несущественных по сравнению с габаритами всего решающего устройства. В результате информационная плотность, информационный потенциал и степень гибкости решающего устройства возрастают.

С момента преодоления субмикронными технологиями рубежа норм проектирования 0,6…0,8 мкм элементный базис предоставляет широкий выбор базовых элементов для создания современных бортовых решающих устройств. Это - сигнальные микропроцессоры со стандартным набором интерфейсов, позволяющих осуществлять скоростной информационный обмен между компонентами и самими решающими устройствами, электрически перепрограммируемые энергонезависимые элементы памяти, системы на кристалле, включающие в себя мощное перепрограммируемое микропроцессорное ядро, аналого-цифровые, цифро-аналоговые преобразователи, стандартные интерфейсы ввода-вывода и пр.

На основе результатов проведенного анализа и с учетом современных достижений элементного базиса архитектурную схему современного решающего устройства, отражающую изменение потенциала универсальности, можно представить в виде схемы (рисунок 5.1).



На архитектурной схеме:

- данное решающее устройство включает в себя только универсальные компоненты и коммуникации (этот качественный скачок стал возможным с появлением в элементном базисе высоконадежных микросхем перепрограммируемой энергонезависимой памяти и микросхем стандартных интерфейсов для удаленной высокоскоростной передачи информации),

- к минимуму сведена доля специализированных компонентов (к носителю памяти инструкций),

- носитель памяти инструкций вынесен во внешнюю по отношению к решающему устройству аппаратуру.

Основные отличия современного бортового решающего устройства от его прототипа, используемого на этапе электронных цифровых БСУ, состоят в следующем.

Первое, место жесткого (неперепрограммируемого) носителя памяти инструкций заняли микросхемы энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, загружаемые с внешней аппаратуры, включающей в себя жесткий носитель памяти инструкций. В процессе нормального функционирования решающего устройства память инструкций хранится в микросхемах оперативной памяти инструкций и данных, предварительно загружаемой из внешней аппаратуры, либо из внутренней перепрограммируемой памяти инструкций. Перепрограммируемая память инструкций помимо временного (до очередного перепрограммирования) хранения инструкций, используется для обеспечения “живучести” БСУ в случае сбоев при боевом ее применении. При сбоях в режиме автономного функционирования БСУ оперативная память инструкций и данных перезагружается с перепрограммируемой памяти инструкций. Отметим, что в отличие от своих предшествующих образцов, в которых свойство гибкости обеспечивалось технологичностью конструктивных решений, в данном решающем устройстве осуществляется архитектурная поддержка свойства гибкости, т.е. его информационная составляющая может быть изменена во внешней по отношению к нему аппаратуре, без воздействия на его конструкцию.

Второе, вместо используемых ранее в решающих устройствах нестандартных (специализированных) элементов ввода-вывода, в данном решающем устройстве применены стандартные интерфейсные элементы ввода-вывода информации, обеспечивающие скоростной информационный обмен между решающими устройствами.

Третье, еще одной отличительной особенностью данного решающего устройства является возможность регистрации всех входящих в него и выходящих из него информационных потоков данных, благодаря введению в его структуру дополнительного компонента - энергонезависимой регистрирующей памяти. Воспроизведение с использованием данной памяти экспериментальной информации в лабораторных условиях позволяет воссоздавать работу решающего устройства, адекватную его функционированию в составе БСУ на испытаниях всех видов, что способствует повышению качества анализа функционирования системы. Такое решение дает возможность также отказаться от автономной бортовой системы измерений, требование независимости которой от других подсистем БСУ было ранее продиктовано традицией применения функционально-конструктивного метода декомпозиции.

Универсальные информационные коммуникации и система интерфейсов ввода-вывода информации современных бортовых решающих устройств позволяют объединить их в вычислительную сеть (рисунок 5.2) с общей памятью инструкций, вынесенной во внешнюю по отношению к вычислительной сети аппаратуру.



В вычислительной сети при обеспечении ее должными информационными коммуникациями можно образовать информационное пространство, единое для всех подсистем БСУ, в котором становится возможным реализация, так называемых, интегрированных алгоритмов, основанных на объединении информационных потоков разных измерительных систем и датчиков. По этой причине БСУ, в основе которой используется вычислительная сеть с единым информационным пространством, здесь и далее будем называть бортовой интегрированной системой управления (БИСУ).

Распространение на системный уровень (рисунок 5.3) архитектурных решений решающего устройства и вычислительной сети БИСУ (ВС БИСУ) позволяет полностью отказаться от специализированной системы связей. Напомним, что в ближайшем прототипе БИСУ – электронных цифровых БСУ на системном уровне сохранилась специализированная система связей, являющаяся носителем определенной доли информационной составляющей БСУ. В БИСУ все информационные коммуникации носят универсальный характер и предназначены для информационного обмена абонентов (вычислительных компонентов) вычислительной сети между собой и связи их с внешней аппаратурой. В этих информационных коммуникациях может циркулировать информация с разным смысловым наполнением, зависящим от решаемой в конкретный момент задачи. Информация может представлять собой команды, адреса, параметры обрабатываемых сигналов, и пр.

БИСУ, архитектурная схема физического уровня которой приведена на рисунке 5.3, декомпозирована на ВС БИСУ и измерительно-исполнительные тракты (ИИТ), состоящие из устройств согласования УС и датчиков, либо исполнительных механизмов ИМ. Причем в основе устройств согласования лежат микропроцессорные элементы, придающие ИИТ свойство гибкости и возможность подключения к ВС БИСУ через используемые в ней стандартные интерфейсы. Сама ВС БИСУ подключается к внешней аппаратуре также через стандартный, принятый в системах корабля для информационного обмена с торпедой, интерфейс.

Определяющей характеристикой архитектуры системы является ее эволюционная стабильность (нечувствительность архитектуры к эволюции элементного базиса на достаточно протяженном интервале времени). Определяющей эта характеристика является, поскольку архитектура системы определяет концепцию проектирования, разработки, экспериментальной отработки, изготовления и эксплуатации системы, как следствие - инфраструктуру ее создания и эксплуатации, являющуюся громоздким, дорогостоящим и инерционным звеном, реализация которого после затратных проб и ошибок может быть отвергнута фильтром эволюции из-за архитектурного несовершенства системы.

Если не налагать жестких ограничений на тип применяемых в БИСУ интерфейсов (развитие которых в настоящее время очень динамично) и жестко ограничить перечень предъявляемых к ВС БИСУ и ИИТ архитектурных требований, то предлагаемая архитектура представляется эволюционно стабильной.

Ограничим архитектурные требования к ВС БИСУ и ИИТ следующим перечнем.

1 ВС БИСУ должна располагать единым информационным пространством. Выполнение данного требования отрицает применение специализированной вычислительной сети, физические связи между вычислительными компонентами которой определяются реализуемым в ней конкретным алгоритмом, и предполагает применение универсальной вычислительной сети. ВС БИСУ позволяет обеспечить:

- независимость физического и информационного уровней БИСУ (цель – обеспечение возможности эффективного применения принципа декомпозиции-субоптимизации при создании сложной технической системы, каковой является ВС БИСУ),

- разбиение БИСУ на подсистемы и организацию связей между ними на информационном уровне БИСУ (цель – концентрация проблемных задач в информационном пространстве, позволяющим осуществлять на этапе экспериментальной отработки БИСУ и торпеды исправление ошибок проектирования с малыми затратами, в том числе ошибок, связанных с декомпозицией информационной составляющей БИСУ, что практически не снижает эффективности применения принципа декомпозиции-субоптимизации, несмотря на зависимость между собой декомпозируемых информационных компонентов информационной составляющей БИСУ).

2 ВС БИСУ должна иметь согласованный с пусковой аппаратурой корабля интерфейс, позволяющий осуществлять в составе торпеды помимо информационного обмена данными с кораблем многократную запись и перезапись в энергозависимые и энергонезависимые носители памяти программного обеспечения, загружаемого с внешней по отношению к торпеде аппаратуры. Выполнение данного требования необходимо для обеспечения:

- гибкости и модернизируемости БИСУ (цель – обеспечение в рамках располагаемого информационного потенциала БИСУ возможности малозатратного исправления ошибок проектирования на этапе экспериментальной отработки БИСУ и торпеды, и осуществления малозатратной модернизации на этапе эксплуатации торпеды),

- высокой степени контролепригодности торпеды благодаря применению подхода, основанного на локальном тестировании и диагностики неисправностей каждого элементарного (неделимого и программно доступного) компонента аппаратуры БИСУ, требующего осуществления многократной (без запоминания в энергонезависимых элементах памяти ВС БИСУ) перезагрузки ВС БИСУ локальными и комплексными тестами (цель – увеличение вероятности безотказного функционирования БИСУ в режиме боевого применения торпеды).

3 ВС БИСУ должна обеспечивать регистрацию всех входных в нее и выходных из нее информационных потоков. Выполнение данного требования позволяет осуществлять:

- анализ результатов функционирования ВС БИСУ, полученных на морских испытаниях, путем воспроизведения функционирования ВС БИСУ в лабораторных условиях, адекватных условиям морских испытаний, как в реальном, так и произвольном масштабах времени,

- уточнение с использованием зарегистрированных экспериментальных данных математических моделей функционирования торпеды и ее систем, а также проверку адекватности этих моделей реальности.

4 ИИТ должен разрабатываться на микроконтроллерной основе (системе на кристалле), позволяющей осуществлять многократное ее перепрограммирование. Выполнение этого требования позволяет обеспечить:

- независимость физического и информационного уровней ИИТ (цель – обеспечение возможности эффективного применения принципа декомпозиции-субоптимизации при создании сложных ИИТ),

- выполнение необходимых условий для реализации свойств гибкости и модернизируемости ИИТ.

5 Устройство согласование ИИТ должно обеспечивать встроенный контроль датчика (исполнительного механизма). Выполнение этого требование позволяет создать необходимые условия для обеспечения должной глубины контроля (цель - обеспечение заданного уровня вероятности безотказного функционирования ИИТ в режиме его боевого применения).

6 ИИТ должна иметь согласованный с ВС БИСУ интерфейс, позволяющий осуществлять помимо информационного обмена данными с ВС БИСУ многократную запись и перезапись в энергозависимые и энергонезависимые носители памяти микроконтроллера ИИТ программного обеспечения, загружаемого с внешней по отношению к ИИТ аппаратуры. Выполнение этого требования позволяет обеспечить:

- гибкость и модернизируемость ИИТ (цель – обеспечение в рамках располагаемого информационного потенциала ИИТ возможности малозатратного исправления ошибок проектирования на этапе его экспериментальной отработки автономно и в составе торпеды, и осуществления малозатратной модернизации на этапе эксплуатации торпеды),

- высокую степень контролепригодности ИИТ благодаря возможности его дистанционного тестирования через ВС БИСУ в составе торпеды (цель – обеспечение заданного уровня вероятности безотказного функционирования ИИТ в режиме боевого применения торпеды).

Предлагаемые архитектурные решения позволяют вести независимую разработку и экспериментальную отработку ВС БИСУ и ИИТ.

Подходы к экспериментальной отработке ИИТ определяются в основном спецификой применяемых в них датчиков (исполнительных механизмов), возможностями имитации физической среды их функционирования и сигналов, располагаемыми математическими моделями. Несмотря на сложность некоторых трактов, например, акустического тракта дальней зоны, они могут пройти полный цикл экспериментальной отработки в рамках наземных лабораторно-стендовых испытаний. Это реально, поскольку практически во всех случаях наземной отработки удается осуществить механический, электрический и информационный доступы ко всем элементам ИИТ, сформировать все необходимые тесты и провести все необходимые измерения. В общем случае для осуществления экспериментальной отработки ИИТ применяются стенды (рисунок 5.4), в основе которых лежат имитатор соответствующего конкретному ИИТ физического поля и сигналов, и имитатор информационного взаимодействия с ВС БИСУ. Применение в ИИТ стандартного интерфейса позволяет осуществить разработку имитатора информационного взаимодействия с ВС БИСУ с малыми затратами, сведя ее к комплексированию аппаратной части и большой доли программного обеспечения из стандартных компонентов и к созданию оригинальной части имитатора в виде программного продукта, соответствующего специфике конкретного ИИТ.

При экспериментальной отработке ВС БИСУ могут быть использованы информационные имитаторы ИИТ (рисунок 5.5), подключаемые через соответствующие адаптеры, как и сама ВС БИСУ, к персональному компьютеру. Весь цикл экспериментальной отработки физического уровня ВС БИСУ может быть осуществлен в лабораторных условиях. Его реализация зависит лишь от эксплуатационных требований и не зависит от специфики функционирования внешних по отношению к ВС БИСУ систем. Напротив, качество экспериментальной отработки информационной составляющей ВС БИСУ, в которой реализуются все алгоритмы функционирования торпеды в составе надсистемы “корабль-торпеда-цель”, зависит от специфики функционирования внешних по отношению к ВС БИСУ систем, прежде всего, динамики и акустики надсистемы.



Задачи уточнения и подтверждения адекватности моделей этих надсистем реальности представляются наиболее сложными, поскольку их решение предполагает проведение и получение экспериментальных данных морских испытаний торпеды, условия проведения которых в максимальной степени должны быть приближены к условиям функционирования надсистемы “корабль-торпеда-цель”. В данном случае морским испытаниям альтернативы нет, поэтому архитектурные решения и требования к ВС БИСУ (пункты 1…3 настоящего раздела), ориентированные на снижение затрат на разработку и экспериментальную отработку современной БСУ и диктуемые ее надсистемой РЭСТ, являются принципиальными и актуальными.


5.3 Разработка структуры БИСУ на основе ее архитектуры

и архитектурно-структурного задела, наработанного в процессе эволюции БСУ
Структурная схема БСУ предполагает учет конструктивных особенностей торпеды при декомпозиции ее физического уровня на блоки и устройства. Архитектурная схема БСУ может быть разработана без привязки к конструкции торпеды. Поэтому, предварим разработку структурной схемы БИСУ разработкой архитектурной схемы, используя обобщенную архитектурную схему физического уровня БИСУ (рисунок 5.3) и основываясь на анализе современного состояния структур надсистем “корабль-торпеда-цель”, эволюции торпед и РЭСТ.

Анализ современного состояния надсистемы “корабль-торпеда-цель” показывает, что качественные изменения элементного базиса в части субмикронных и информационных технологий привели к усложнению надсистемы не только из-за увеличения одновременно применяемых целью числа средств ГПД (рисунок 5.6), но и из-за искажения акустического поля посредством увеличения эффекта каждого из применяемых средств ГПД. Усложнение задачи распознавания торпедой цели на фоне помех очередной раз привело к снижению эффективной дальности стрельбы торпеды. В результате, направленность совершенствования основной составляющей функциональности БСУ, диктуемая ее надсистемой “корабль-торпеда-цель”, на данном этапе развития (по сравнению с предыдущими этапами) не изменилась, но требования к выделению цели на фоне генерируемых средствами ГПД помех резко ужесточились.



Структура надсистемы БСУ эволюции торпед (рисунок 3.4), обусловливающая требования к динамичности системы РЭСТ, сохранилась, но динамика ее изменилась. Реализации торпедных БСУ и средств ГПД уже на этапах аналоговых и цифровых электронных БСУ основывались на едином элементном базисе, взаимно обусловливая процесс противостояния БСУ и средств ГПД, динамичность которого диктовалась характером эволюции этого элементного базиса. Дальнейшее его бурное развитие и широкое применение информационных технологий привели к тому, что скорость развития элементного базиса стала сначала соизмеримой, а в настоящее время - выше скорости разработки БСУ. Это привело к устареванию элементной базы еще до завершения разработки БСУ. В результате, актуальной стала проблема физической реализуемости БСУ с эволюционно стабильной эффективностью, т.е. создания такой БСУ, применение которой позволит с требуемой динамикой поддерживать высокий уровень боевой эффективности в условиях противостояния постоянно совершенствующимся средствам ГПД. Решение этой проблемы состоит в придании современной БСУ высокого модернизационного потенциала, позволяющего быстро и адекватно реагировать на совершенствование средств ГПД и тактику их применения. Такой потенциал должен быть заложен в структуре системы РЭСТ и архитектурных решениях БИСУ (требования пунктов 1…3 раздела 5.2).

Заметим, что по мере развития БСУ, поле для реализации данного потенциала сужается, и все больше смещается в область информационного уровня БСУ, так как резервы качественного улучшения функциональности за счет расширения физического уровня БСУ практически исчерпаны. Причиной тому является отсутствие резервов в расширении номенклатуры физических полей, применяемых в контуре самонаведения БСУ. Физические поля кроме акустического, которые в обозримом будущем могли бы быть применены в ССН для увеличения их обнаруженческого потенциала, отсутствуют. Т.е. необходимо признать, что в настоящее время возможности расширения номенклатуры измерительных систем БСУ для обнаружения корабля-цели исчерпаны.

Природа же акустического контура самонаведения, основанная на озвучивании пространства возможного положения целей, измерении параметров акустических волн, отраженных от неоднородностей этого пространства, и обработке измерений, ориентированной на обнаружение и классификацию неоднородностей для идентификации цели, наряду с уникальными информационными возможностями обладает слабой стороной. Ее слабой стороной является протяженность акустического канала и невозможность обеспечения его обособленности (защиты) от воздействия естественных и организованных противником помех. Увеличению обнаруженческого потенциала способствует увеличение апертуры акустических антенн. В рамках существующих акустических систем физическое увеличение апертуры антенных решеток наталкивается на ограничение калибра торпеды, а с внедрением на этапе электронных цифровых БСУ полнозаполненных антенных решеток, уже практически исчерпаны резервы совершенствования антенн ССН. Теоретический задел по дальнейшему качественному увеличению обнаруженческого потенциала ССН связан с внедрением, так называемых, синтезированных апертур, реализуемых на информационном уровне путем построения специальных алгоритмов. Эти алгоритмы основаны на синтезе “виртуальной” апертуры из запомненных в разные моменты времени положений антенны в единой системе координат и строятся на объединении акустического и навигационного информационных потоков.

Реализация подобных алгоритмов стала возможна лишь при наличии в решающем устройстве запоминающих устройств и информационных коммуникаций, позволяющих объединять информационные потоки разных измерительных систем. Именно эта новая архитектурная возможность решающего устройства БИСУ открывает путь к реализации нового широкого спектра алгоритмов, основанных на комплексировании с накоплением информации и физически не реализуемых в электронных аналоговых и цифровых БСУ. В частности, возможность запоминания информации об акустических неоднородностях в разные моменты времени, но в единой системе координат, позволяет синтезировать из них информационные объекты, характеризуемые не только традиционными акустическими признаками (оценкой Доплеровской скорости, эквивалентным радиусом, протяженностью цели и пр.), но и поведенческими признаками (линейной и угловой скоростью, ускорением цели и пр.). Эти признаки можно дополнить данными еще одного независимого измерительного тракта о напряженности магнитного поля вблизи цели. Расширение размерности полученных таким образом информационных объектов позволяет более достоверно выделять цель на фоне организованных помех, и качественно влиять на функциональность БСУ.

Применение ранее класса алгоритмов комплексирования с накоплением было крайне затруднено из-за архитектурных ограничений БСУ и ограничений, налагаемых элементной базой. В настоящее время, в рамках нерасширяющейся номенклатуры измерительных систем, внедрение алгоритмов данного класса является практически единственным эффективным средством дальнейшего совершенствования основной составляющей функциональности и повышения эффективности БСУ.

Основываясь на обобщенной архитектурной схеме (рисунок 5.3), текущем состоянии элементного базиса и архитектурном заделе, накопленном на предшествующих этапах данному этапу, архитектуру БИСУ можно представить в виде архитектурных схем (рисунки 5.7 и 5.8).

На схеме, отображенной на рисунке 5.7, знак окружности в правом верхнем углу прямоугольников означает, что архитектура отображаемых этими прямоугольниками физических устройств – двухуровневая, т.е. содержит информационный уровень, который раскрывается в схеме (рисунок 5.8). Номенклатура физических полей, с которыми взаимодействует БИСУ, та же, что и номенклатура физических полей, с которыми взаимодействует ближайший прототип БИСУ - электронная цифровая БСУ. Это означает, что развитие “вширь” нижнего слоя БСУ приостановилось, его развитие сводится лишь к локальному совершенствованию датчиков и исполнительных механизмов. Качественно изменился слой устройств согласования, у которого появился информационный архитектурный уровень. Наибольшие изменения (относительно прототипа) претерпели слои решающих устройств и кабельной сети, которые объединились в единую для всей БИСУ вычислительную сеть. Поскольку декомпозиция БИСУ на подсистемы осуществляется на информационном архитектурном уровне, поля подсистем физического архитектурного уровня БИСУ трансформировались в измерительно-исполнительные тракты. Это позволило существенно сместить нагрузку по обеспечению независимости декомпозированных компонентов БИСУ в область ее информационного уровня, обеспечив тем самым в практическом смысле независимость между собой ее физических компонентов. Отметим также, что в физическую основу устройств БИСУ все в большей степени внедряется микропроцессорная электроника, вытесняя аналоговую электронику и электромеханику, характерную для физической основы прототипов БИСУ.

На рисунке 5.8 представлен вариант архитектурной схемы информационного уровня БИСУ. Она поглощает все архитектурные решения архитектурной схемы информационного уровня электронных цифровых БСУ (рисунок 4.5). Тем самым в рамках инфраструктуры БИСУ обеспечиваются все необходимые условия для использования теоретического и алгоритмического заделов, наработанных на этапе электронных цифровых БСУ.

На архитектурной схеме (рисунок 5.8) в нижнем слое, на 0-м уровне интеграции, размещены драйверы, решающие задачу информационного сопряжения потоков данных, входных в и выходных из ВС БИСУ, с потоками данных, циркулирующих в ВС БИСУ, в соответствии с принятыми форматами, структурой и динамическими диапазонами данных единого информационного пространства ВС БИСУ. В соответствии с предложенной в разделе 3.3 классификации данный слой можно отнести к декомпозирующему архитектурному слою. Заметим также, что 0-ой уровень интеграции реализуется в микроконтроллерах устройств согласования, которые не входят в состав ВС БИСУ, поскольку они не отвечают в полной мере архитектурным требованиям п. 1…3 раздела 5.2. Однако эти микроконтроллеры сопрягаются с ВС БИСУ посредством стандартных интерфейсов (требование 6 раздела 5.2), и могут не только обмениваться через них данными, но и перепрограммироваться. Это обстоятельство позволяет рассматривать микроконтроллеры устройств согласования как расширение ВС БИСУ с ограниченными системным потенциалом, а объединение ВС БИСУ и микроконтроллеров устройств согласования – как расширенную ВС БИСУ (РВС БИСУ).

Вычислительные блоки 1-го уровня интеграции осуществляют обработку информационных потоков, поступающих с выходов драйверов. Как правило, блоки 1-го уровня интеграции реализуют алгоритмы комплексирования измерений разных датчиков с целью повышения достоверности оцениваемых по результатам измерений параметров, используемых в алгоритмах более высокого уровня интеграции. Так блок БВ11 реализует алгоритмы ориентации и навигации торпеды, в котором результаты решения задачи инерциальной навигации корректируются по измерениям датчиков глубины и скорости хода торпеды. Блок БВ12 обслуживает датчики и исполнительные элементы разового применения (например, пиропатроны) предварительно-исполнительного механизма, системы бортовой автоматики и энерго-движительного комплекса, не допускающих подачу на них ложных команд. Специфичным для данного блока, поэтому, является решение проблемы обеспечения алгоритмической надежности выдачи команд, в том числе, при сбоях в работе вычислительных компонентов и сбоях в передаче данных по информационным коммуникациям. Решение данной проблемы предполагает информационную избыточность, прежде всего, измерительной информации, полученной из разных источников сигналов, комплексирование которой позволяет выявить сбои и принять адекватные меры.

Вычислительные блоки 2-го уровня интеграции работают на объединении информационных потоков 1-го и других (0-го и 3-го) уровней интеграции. Блок БВ21 вырабатывает информационные потоки для управления рулевыми машинками, реализуя алгоритм управления угловым движением торпеды на основе измерений ее положения и управляющих сигналов, вырабатываемых блоком более высокого уровня интеграции БВ31. Блоки БВ22, БВ23, БВ24 корректируют измерения акустических и магнитной (электромагнитной) измерительных систем по навигационной информации, учитывая угловое положение и скорость хода торпеды, а также вырабатывают команды на излучение акустических (электромагнитных) зондирующих посылок с учетом этой информации.

Вычислительный блок БВ31, обрабатывая совместно навигационный, акустический, магнитный (электромагнитный) информационные потоки, поток разовых команд, и, вырабатывая соответствующие управляющие информационные потоки, реализует алгоритм управления торпедой в проблемных ситуациях. Связь всех блоков 2-го и 3-го уровней с навигационным блоком БВ11 не случайна и объясняется тем, что функционирование надсистемы “корабль-торпеда-цель”, всех ее компонентов и подсистем торпеды осуществляется в пространстве и времени. Поэтому, вся поставляемая в блок БВ31 и подлежащая комплексированию информация должна быть привязана к единой системе координат и синхронизирована во времени.

Информационный уровень архитектуры БИСУ (рисунок 5.8) можно рассматривать как развитие информационного уровня архитектуры электронной цифровой БСУ (рисунок 4.5). Основные архитектурные отличия БИСУ от электронной цифровой БСУ состоят в следующем:

- увеличен объем измерительной и управляющей информации, обмениваемой ВС БИСУ с ИИТ БИСУ, в частности с компонентами ПИМ, СБА и ЭДК (данная информация позволяет программно реализовывать и контролировать выполнение циклограммы функционирования торпеды и ее подсистем в полном объеме);

- объединены информационные каналы связи с внешней аппаратурой подсистем СУДТ и ССН, в частности канал связи с носителем и канал телеуправления;

- объединены верхние информационные уровни подсистем СУДТ и ССН в вычислительном блоке БВ31, в котором реализуется комплексный алгоритм, поглотивший задачи информационного обмена между этими подсистемами, задачи распознавания и селекции цели, самонаведения, логические алгоритмы, реализацию циклограммы функционирования торпеды и ее подсистем, и пр.

Из анализа информационного уровня архитектуры БИСУ следует, что степень ее алгоритмической преемственности с прототипом высокая, существенное алгоритмическое изменение (развитие) затронуло лишь верхние архитектурные слои в связи с введением нового комплексного алгоритма, внедрение которого стало возможным благодаря организации в ВС БИСУ единого информационного пространства.

В связи с архитектурными изменениями относительно прототипа изменился состав и физическая реализация подсистем БСУ. Все подсистемы БИСУ замыкаются на ВС БИСУ, их можно выделить в качестве комбинированных комплектов информационно-физических блоков, в состав которых входят использующие ресурсы и реализующиеся в РВС БИСУ информационные вычислительные блоки и физические компоненты ИИТ.

Приведем вариант состава информационно-физических подсистем БИСУ, соответствующий приведенным на рисунках 5.7 и 5.6 архитектурных схемам:

- комплексированная навигационная система (КНС), в ее состав входят вычислительные блоки БВ01, БВ02, БВ11 и физические устройства: блок БИЧЭ, датчики Ph, Pq, и соответствующие устройства согласования;

- система управления движением торпеды (СУДТ), включающая в свой состав КНС, вычислительные блоки БВ03, БВ21, рулевые машинки РМ и соответствующие устройства согласования;

- акустическая система измерений (параметров акустических неоднородностей) в дальней зоне торпеды (АСИ ДЗ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ06, БВ22, антенны тракта ПЛ Ан Пл и тракта КС Ан КС и соответствующие устройства согласования;

- акустическая система измерений (параметров акустических неоднородностей) в ближней зоне торпеды (АСИ БЗ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ07, БВ23, антенны тракта АДЦ и соответствующее устройство согласования;

- магнитометрическая (электромагнитная) система измерений (МСИ, либо ЭМСИ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ08, БВ24, антенны тракта МДЦ и соответствующее устройство согласования;

- система (анализа и управления состоянием) опасных цепей (СОЦ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ08, БВ09, БВ010, БВ12, датчики и исполнительные элементы Д ПИМ, Д СБА, Д ЭДК и соответствующие устройства согласования;

- система управления торпедой в проблемных ситуациях (СУТПС), включает в свой состав вычислительные блоки БВ04, БВ05, БВ09, БВ 010, БВ011, БВ12, БВ31, компоненты ПИМ, СБА, ЭДК и соответствующие устройства согласования.

Заметим, что теоретический задел, созданный и отработанный на практике на предшествующих этапу БИСУ этапах развития торпедных БСУ, обеспечивает алгоритмическую поддержку разработки данных подсистем БИСУ в достаточном объеме, за исключением подсистемы СУТПС. Внедрение этого задела на этапе электронных цифровых БСУ определило их функциональность и достигнутый при этом уровень боевой эффективности торпеды. Как следует из проведенного выше анализа, основной резерв дальнейшего расширения функциональности и повышения эффективности при ограничениях, налагаемых на расширение номенклатуры измерительных систем, лежит во внедрении СУТПС. Комплексирование информации, на котором основана работа этой системы, ранее не использовалось. Разработке этой системы посвящен специальный раздел настоящей работы.

Рассмотрим пример структуры БИСУ (рисунок 5.9), учитывающей конструктивные особенности торпеды УГСТ [Л 5.4], с архитектурой, соответствующей изображенным на рисунках 5.7 и 5.8 схемам.

В данном примере вычислительная система размещена в одном блоке и состоит из высокопроизводительного многопроцессорного вычислительного ядра и интерфейсных модулей (мостов), сопрягающих вычислительное ядро с интерфейсными шинами:

- связи с кораблем-носителем - Мост BUS-MIL1533;

- телеуправления - Мост UART1-ТУ;

- локальной (внутренней по отношению к аппаратурному модулю) шины последовательного интерфейса - Мост BUS-UART1;

- дискретного ввода-вывода - Мост UART1-Дв-в;

- внешней (внешней по отношению к аппаратурному модулю) шины последовательного интерфейса - Мост BUS-UART2.

Регистратор подключен к скоростной микропроцессорной параллельной шине вычислительного ядра, аналогично модулям: Мост BUS-MIL1533, Мост BUS-UART1 и Мост BUS-UART2, он имеет доступ ко всем циркулирующим в вычислительной системе информационным потокам.

В состав расширенной вычислительной системы входят дополнительно:

- микропроцессор устройства управления излучением-приемом;

- микроконтроллеры модулей БИЧЭ, измерителей Рh, магнитометров, измерителя скорости, модуля управления скоростью,

- микропроцессор кормового блока управления.

Все эти вычислительные устройства, за исключением микропроцессора устройства управления излучением-приемом, подключаются к вычислительному ядру через последовательные интерфейсы. Микропроцессор устройства управления излучением-приемом подключается к вычислительному ядру через скоростной Link-интерфейс, поскольку объем и скорость передачи акустической информации на несколько порядков превышает объем и скорость передачи по последовательному интерфейсу информации всех остальных трактов.

Особое место в структуре БИСУ занимает шина дискретного ввода-вывода. Она образована специально для подключения устройств, к которым предъявляются жесткие требования по защищенности от прохождения ложных команд, в частности, непосредственно к ней подключается предварительно-исполнительный механизм ПИМ. Еще одна шина для подключения устройств, к которым предъявляются жесткие требования по защищенности от прохождения ложных команд, формируется кормовым блоком управления. Она управляет блоком включения ПИМ и блоками включения пироустройств БВП1, БВП2 и БВП3, выполняющими функции выдачи исполнительных команд на различные элементы бортовой автоматики опасных цепей.

Всю структуру можно разбить в соответствии с обобщенной архитектурной схемой БИСУ (рисунок 5.3) на вычислительную сеть ВС БИСУ, воплощенную в блоке вычислительной системы, и следующие измерительно-исполнительные тракты ИИТ, состоящие из датчиков (Д), либо исполнительных механизмов (ИМ) и устройств согласования (УС).

1 Тракт инерциальной навигации и ориентации. Д – БИЧЭ. УС – Микроконтроллер.

2 Тракт измерения глубины. Д – Датчики Ph. УС – Микроконтроллеры.

3 Тракт измерения скорости. Д – Датчик оборотов. УС – Микроконтроллер.

4 Тракт управления РМ. ИМ – Рулевые машинки. УС – Микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением.

5 Акустический тракт ПЛ и НК. Д – Акустические антенны ПЛ и НК. УС – Устройство согласования с АА на базе микропроцессора.

6 Тракт акустического датчика цели в данном примере отсутствует.

7 Тракт магнитного датчика цели. Д – магнитометрические антенны. УС - Микроконтроллеры.

8 Тракт ПИМ. Д и ИМ – Д ПИМ1, Д ПИМ2, ПИМ. УС – БВ ПИМ и микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением.

9 Тракт бортовой автоматики опасных цепей. ИМ – пироустройства. УС – БВП1, БВП2, БВП3 и микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением.

10 Тракт управления скоростью ЭДК. ИМ – Скоростная рулевая машинка. УС – микроконтроллер.

Такая структурная реализация физического уровня архитектуры БИСУ продиктовано конструктивными требованиями к размещению датчиков и исполнительных механизмов в корпусе торпеды, образующими те “коммуникативные окна”, через которые БИСУ в торпеде обменивается информацией и воздействиями с внешней средой. Размещение в конструкции торпеды этих “коммуникативных окон” и информационная плотность протекающих через них информационных потоков определяет топологию вычислительно-информационных коммуникаций БИСУ. Максимальное приближение к датчикам и исполнительным механизмам периферийных вычислительных устройств, позволяет применить стандартные интерфейсы и минимизировать длину и число линий (оптимизировать конструкцию) информационных коммуникаций, соединяющих эти устройства с вычислительными ядрами вычислительной сети.

Вычислительные ядра ВС БИСУ располагается вблизи “коммуникативных окон”, через которые протекают информационные потоки с наибольшей плотностью, поскольку сложность реализации интерфейсов растет с ростом плотности протекаемых через них информационных потоков. Так, для передачи данных со скоростью до 10…30 Мбит/с применим компактный последовательный интерфейс RS-485 (витая пара проводов), широко используемый в структурной схеме БИСУ, изображенной на рисунке 5.9, позволяющий подключение к нему несколько десятков абонентов с удалением от вычислительного ядра до нескольких десятков метров. При передаче информации со скоростью 500 и более Мбит/с, как в случае обслуживания акустического тракта ПЛ и НК, применяются более сложные интерфейсы (например, LVDS), допускающие удаление от вычислительного ядра всего на доли и единицы метров. Рассмотренный вариант структуры БИСУ (рисунок 5.9) содержит единственное, реализуемое в виде акустических антенн ПЛ и НК, “коммуникативное окно” с высокой плотностью прохождения через него информации, поэтому вся ВС БИСУ концентрируется вблизи него в блоке вычислительной системы.


5.4 Заключение по главе 1
1 БСУ является слабым звеном в цепи основных торпедных систем.

На протяжении всего своего развития БСУ является слабым звеном в цепи формирующих функциональность торпеды основных торпедных систем: БЗО, обеспечивающего боевое могущество торпеды, ЭДК, обеспечивающего доставку БЗО к цели и БСУ, управляющей данными системами. Слабость БСУ-звена объясняется физикой применяемого в нем и не имеющего в настоящее время альтернативы акустического канала, осуществляющего информационный мониторинг акустического пространства, являющегося в то же время пространством боевого противостояния с кораблем-целью. Корабль-цель, активно воздействуя своими техническими средствами (в частности, средствами ГПД) на акустическое состояние боевого пространства, получает тем самым дистанционный доступ к информационным ресурсам БСУ атакующей торпеды, ограничивая ее эффективную дальность стрельбы, являющуюся основной характеристикой и определяющую боевую эффективность торпеды. Затраты на такое противодействие зачастую оказываются существенно ниже затрат, расходуемых на создание и применение БСУ, обеспечивающей селекцию цели на фоне использующих противоборствующей стороной средств ГПД.



2 Надсистема БСУ эволюции торпед диктует требования динамичности развития и высокого модернизационного потенциала БСУ.

БСУ и средства акустического противодействия создаются в среде единого элементного базиса, из чего следуют взаимообусловленность и высокие темпы их развития (схема системы эволюции торпед, представленная на рисунке 3.4, отражает это обстоятельство).

В полном объеме информация об эффективности конкретного варианта БСУ может быть получена лишь на морских испытаниях, максимально приближенных к реальному боевому столкновению противоборствующих сторон, анализ результатов которых позволит выявить недостатки и выработать технические решения, направленные на повышение эффективности БСУ. От оперативности внедрения этих технических решений зависит боевая эффективность торпеды, поскольку очередная (постоянно производимая) модернизация средств ГПД противоборствующей стороны может опередить текущую модернизацию БСУ и дополнительно снизить ее эффективность. Отсюда вытекает требование обеспечения высокого модернизационного потенциала современной БСУ и высокой динамичности ее развития. Т.е. характеристика динамичности развития (модернизируемости) БСУ является одной из важнейших составляющих боевой эффективности современных торпед. Отсутствие у торпед модернизационных возможностей делает их потенциально неэффективными.

3 В результате эволюции БСУ резервы повышения боевой эффективности торпед за счет расширения номенклатуры применяемых в БСУ физических полей исчерпаны.

Технологические прорывы в эволюции элементного базиса обусловливают качественные изменения функциональности БСУ. Результативные в этом смысле технологические прорывы позволяют развитие БСУ представить 4-мя этапами.

В исходном состоянии элементного базиса преобладали механические технологии, этому состоянию базиса соответствует этап механических БСУ. Распространению электронных аналоговых технологий соответствует этап электронных аналоговых БСУ. Внедрению информационных технологий, основанных на применении электронных цифровых процессоров, соответствует начало этапа электронных аналоговых БСУ. Внедрение сетевых информационных технологий позволило перейти к этапу БИСУ.

Резерв расширения номенклатуры физических полей, применяемых для организации “коммуникативных окон”, связывающих решающее устройство БСУ с внешней средой путем внедрения новых датчиков и датчиковых систем, был исчерпан уже на этапе электронных аналоговых БСУ. На этапе электронных цифровых БСУ в значительной степени завершилась работа по “улучшению прозрачности коммуникативных окон” благодаря оптимизации и повышению разрешающей способности датчиков и датчиковых систем, направленная на совершенствование их функциональности. Прогнозируемая их модернизация на последующих этапах связана в основном, не с совершенствование функциональности, а с повышением надежности, уменьшения стоимости и габаритов, а также улучшения других показателей.



4 Потенциал дальнейшего совершенствования функциональности БСУ лежит в совершенствовании ее алгоритмического обеспечения, архитектуры и системы РЭСТ.

4.1 Совершенствование алгоритмического обеспечения. Отсутствие в процессе развития БСУ перспективы получения дополнительной измерительной информации о состоянии боевого пространства для совершенствования функциональности БСУ вынуждает разработчиков БСУ искать пути получения дополнительных сведений о состоянии боевого пространства из уже имеющейся номенклатуры измерений путем совершенствования бортового алгоритмического обеспечения.

Внедрение на этапе электронных цифровых БСУ процессорной электроники и информационных технологий открыло новые возможности совершенствования функциональности БСУ за счет применения нового класса ранее не реализуемых (в электронных аналоговых устройствах) алгоритмов, использующих такие ресурсы ЭВМ как память и информационные коммуникации, позволяющие объединять (интегрировать) информационные потоки, измеряемые разными датчиками и датчиковыми системами.

Натолкнувшись на физические ограничения, традиционно ориентированное на увеличение объема и качества измерительной информации, развитие физического уровня БСУ переориентировалось на создание благоприятных условий для реализации нового класса алгоритмов, что придало острую актуальность проблеме разработки рациональной для этого архитектуры БСУ.

4.2 Совершенствование архитектуры на конкретном этапе развития БСУ следует рассматривать как элемент динамического процесса – развития БСУ, неразрывно связанного с развитием элементного базиса.

Основной характеристикой элементного базиса, применительно к обсуждаемой здесь проблеме, является информационная плотность, которая растет в процессе его эволюции и прогноз на обозримое будущее не предполагает спада производной ее роста. Рост информационного потенциала БСУ, связанного с ростом информационной плотности элементного базиса, также не предполагает спада производной.

Рост информационной плотности элементного базиса сопровождается постоянным усложнением его неделимых элементов (микросхем, и пр. радиоэлементов) и, как следствие – изменением их архитектуры (внутренней организации), направленным на реализуемость и “прозрачность” постоянно усложняемых их структур. Динамика развития элементного базиса обусловливает динамику развития архитектуры создаваемых на его базе систем, сложность которых по мере развития также возрастает. Фильтр эволюции при этом изменяет архитектуру системы таким образом, чтобы она была согласована с внутренней архитектурой составляющей ее элементов. В результате минимизируется избыточность компонентов системы, связей между ними, а для современных БСУ – обеспечивается потенциал реализуемости более широкого класса алгоритмов.

С преодолением некоторого критического порога сложности остро выступает проблема обеспечения независимости декомпозируемых компонентов БСУ, в особенности компонентов решающего устройства. Придание сначала некоторым компонентам решающего устройства свойства универсальности, затем распространение этого свойства на все его компоненты позволило информационную составляющую БСУ

- на этапе электронных аналоговых БСУ локализовать в системе связей БСУ (благодаря базовым универсальным компонентам – операционных усилителей),

- на этапе электронных цифровых БСУ локализовать в запоминающих устройствах каждой из БЦВМ и отделить информационный уровень системы от физического (благодаря базовым универсальным компонентам – цифровым процессорам, микросхемам памяти),

- на этапе БИСУ вынести за пределы БСУ (благодаря базовым универсальным компонентам – микропроцессорам, микросхемам памяти, системам на кристалле, универсальным интерфейсам и коммуникациям).

Здесь с очевидностью проявляются следующие процессы в развитии архитектуры БСУ:

- отделения информационного уровня БСУ от физического;

- обеспечения независимости информационного и физического уровней БСУ,

- переноса структурной сложности БСУ с физического на информационный уровень.

Современную архитектуру БСУ можно представить в виде многослойной постоянно развивающейся структуры, на первом этаже которой размещены слои физического уровня БСУ (рисунок 5.7), на втором – информационного (рисунок 5.8). Слои можно разбить на 2 класса: функциональные и декомпозирующие. В функциональных слоях формируются составляющие компоненты системных функций БСУ, декомпозирующие слои обеспечивают функциональную независимость друг от друга системных слоев.

Развитие БСУ протекало таким образом, что сначала (с расширением номенклатуры используемых в БСУ физических полей) формировались нижние слои. С эволюцией элементного базиса формировались новые, верхние слои, а нижние – переформировывались таким образом, чтобы стать надежным фундаментом для верхних. Так на этапе электронных цифровых БСУ зарождаются измерительно-исполнительные тракты и декомпозирующие слои, которые приобретают четкие очертания (декомпозируются на независимые законченные функциональные компоненты) на этапе БИСУ. С момента завершения расширения номенклатуры физических полей развитие архитектуры распространяется преимущественно вверх, в информационные слои. Нижние слои переформируются таким образом, чтобы обеспечить верхним слоям все необходимые условия для интенсивного развития. Здесь в большей степени проявляется роль декомпозирующих слоев, позволяющих не перестраивая при модернизации БСУ всю структуру, деформировать преимущественно верхние слои, обеспечивая тем самым стремительное ее развитие ввысь.

В практическом плане это означает, что на данном этапе развития БСУ следует концентрировать усилия на внедрении нового класса (интегрированных) алгоритмов, надстраивая их над существующими, а физический уровень и успешно отработанные и хорошо зарекомендовавшие себя на практике компоненты информационного уровня БСУ и алгоритмического обеспечения адаптировать под задачу реализации нового класса алгоритмов. Такой постановке соответствует архитектура БИСУ.

4.3 Совершенствование системы РЭСТ. Несмотря на структурный консерватизм надсистемы БСУ РЭСТ, содержимое ее компонент существенно изменилось. Внедрение в систему РЭСТ современных мощных микропроцессорных устройств, высокоскоростных интерфейсов, сетевого системного программного обеспечения позволило очередной раз резко повысить ее информационный потенциал и внедрить ряд САПР, автоматизирующих “рутинную” работу по проектированию БСУ и торпед и переводящих эту работу в ранг малолюдной высокоинтеллектуальной технологии. Одно из центральных мест в данной технологии занимают система разработки (модернизации) и экспериментальной отработки алгоритмического обеспечения БИСУ, а также система обработки и анализа экспериментальной информации. На данном этапе развития, в условиях бурно развивающегося элементного базиса и постоянного взаимообусловленного совершенствования морских средств нападения и защиты, совершенство системы РЭСТ и динамичность ее развития определяют потенциал поддержания боевой эффективности торпеды на должном уровне.

5 Функциональность (основная и вспомогательная ее составляющие) БСУ диктуется ее надсистемами “корабль-торпеда-цель” и РЭСТ.

На этапе БИСУ в надсистеме “корабль-торпеда-цель” возросло число одновременно применяемых средств ГПД с 2-х до 4-х, в некоторых случаях – более, усилились их имитационные свойства. В результате, снизилась (в условиях современных сценариев боя) эффективная дальность стрельбы разработанных на этапах, предшествующих этапу БИСУ, торпед.

Основная составляющая функциональности современной БСУ в соответствии с тенденциями развития надсистемы “корабль-торпеда-цель” должна совершенствоваться в направлении повышения устойчивости акустическим помехам. В отсутствии резервов расширения номенклатуры физических полей, позволяющих обнаруживать и селектировать цель, и резервов качественного улучшения датчиков первичной информации (в частности, позволяющих увеличить физическую апертуру акустических антенн), резервы качественного повышения эффективности БСУ лежат в области совершенствования ее алгоритмического обеспечения и увеличения информативности каналов связи с кораблем-носителем. Т.е., в отсутствии резервов увеличения объема полезной информации за счет расширения номенклатуры и информативности датчиковых “коммуникативных окон”, единственным резервом получения полезной информации остаются “коммуникативные окна”, предназначенные для связи с носителем.

Вспомогательная составляющая функциональности БСУ, проявляющая себя при функционировании системы РЭСТ, должна совершенствоваться в направлении развития:

- компонентов и информационных коммуникаций, связанных с увеличением объема, скорости записи и точности регистрируемых экспериментальных данных,

- информационных коммуникаций, позволяющих организовать в рамках системы РЭСТ имитационную среду для эффективной экспериментальной отработки информационного уровня БСУ, адекватной реальной.

Архитектурные решения БИСУ, представленные на рисунках 5.3, 5.4, 5.5, 5.7, 5.8, обеспечивают все необходимые условия для реализации основной и вспомогательной составляющих функциональности современной БСУ.
Л5.1 – МК54

Л5.2 – пуски антиторпеды

Л5.3 – БИСУ после 1999 года

Л5.4 – структура БИСУ УГСТ
Литература
[Л2.1] - Начальный этап развития торпед

[Л2.2] – Системный анализ, Лебедев

[Л3.1] - Германская торпеда Т-5

[Л3.2] - МК27 мод.4 и МК32 мод.2

[Л3.3] – теория АВМ.

[Л4.1] – обзор торпед с БЦВМ.

[Л4.2] – Торпеда “Мурена”.

[Л4.3] – АСОАИ.

Л5.1 – МК54

Л5.2 – пуски антиторпеды



Л5.3 – БИСУ после 1999 года

Л5.4 – структура БИСУ УГСТ
с. 1 с. 2 с. 3

скачать файл