Текст книги "Групповое движение интеллектуальных летательных аппаратов в антaгонистической среде"

1.2. О возможностях групповой атаки перспективных боевых средств противника

Усложним наши рассуждения рассмотрением государственных задач оборонного значения. Как известно, постановки таких задач обладают максимальной сложностью и неопределенностью при их высокой актуальности и значимости.

Современная оборонительная система (например, противовоздушной и/или противоракетной обороны) строится как многоуровневая иерархическая структура, включающая информационно-управляющие системы с едиными информационными ресурсами и выбранной при проектировании организацией информационного обмена. В силу оборонительного характера в такой системе как основные ставятся и решаются задачи обнаружения, сопровождения, прогнозирования движения средств поражения Противника, принятия решения на перехват и собственно перехвата. Все эти задачи чрезвычайно трудоемки, технически очень сложны и требуют исключительно оперативного решения, буквально в режиме on-line. Но никакой интеллектуализации такие системы не несут и не допускают. Все правила принятия решений в них достаточно четко структурированы.

«Мир» Противника при этом рассматривается порой довольно упрощенно. Предполагается, что поскольку законы движения физически объективны, то для исследования Противника можно использовать те же принципы и подходы, что и для собственных, национальных летательных аппаратов. Отношение к Противнику как недоопределенной системе выражается посредством повышения возможностей оборонительных систем по всем составляющим процесса принятия решений по противодействию. Неопределенность при этом устраняется эмпирически. И что характерно: при планировании собственных боевых действий предполагаются высокоинтеллектуальные сценарии, в том числе и группового удара, но возможности Противника при этом, как правило, недооцениваются.

Так, для моделирования движения ракетно-космических угроз Противника традиционно используется математическое моделирование. Оно связано с созданием математических моделей движения (боеголовок, крылатых ракет, космических аппаратов), разработкой высокоэффективных численных и аналитических методов решения систем алгебра-дифференциальных уравнений. При этом, начиная еще с прошлого века, основное внимание придается оперативности. Считается, что проблемы объективного незнания Противника могут быть решены путем увеличения количества вариантов расчетов условий его боевого применения, что требует высокой оперативности [4]. Круг, таким образом, замыкается.

Происходящие в сфере современных информационно-коммуникационных технологий колоссальные изменения, к сожалению, почти не затрагивают сферу наших представлений о Противнике и его средствах нападения. Так, в задачах ПВО и ПРО предполагается, что Противник и далее будет использовать в сценариях нападения традиционную пространственно-временную структуру ракетного и авиационного удара, основываясь на возможно новых средствах с улучшенными тактико-техническими характеристиками (дальностью, точностью, маневренностью и др.). При этом упускается из виду, что Противник может использовать и принципиально иную стратегию удара по целям. Активно используемые в компьютерных сетях средства коллективной работы, оперативного обмена сообщениями, возможность обмена информацией между удаленными объектами в реальном масштабе времени существенно видоизменяют как структуру, так и методы управления средствами воздушно-космических атак [15].

Сложившаяся концепция рассмотрения удара Противника как иерархически построенной структуры, как представляется, приближается к пределу своего развития, выдвигая необходимость учета возможности интеллектуализации средств нападения. Действительно, особенностью современной организации сложных систем является то, что превалирующей организационной структурой становится не иерархия, а сеть. Появляются искусственные сети, способные к анализу и планированию своего поведения и разумной организации некоторой интеллектуальной среды. Сетевые структуры более мобильны, более устойчивы, более надежны; выход из строя некоторых элементов сети не приводит к отказу функционирования всей сети, по сети более оперативно распространяется разнообразная информация и осуществляется взаимодействие между различными организационно-техническими уровнями.

При моделировании Противника необходимо понимать, что его возможное поведение уже в ближнесрочной перспективе будет формироваться сложным интеллектуальным образом. Мы, например, не допускаем и не учитываем в настоящее время, что движущиеся в группе летательные аппараты Противника могут, например, «жертвовать» собой ради выполнения группой общей целевой задачи, изменять по «договоренности между собой» целераспределение в реальном масштабе времени, совершать групповые противоракетные маневры, действуя коллективно, и т. д. Перспективные ЛА могли бы принимать решения самостоятельно, исходя из складывающейся ситуации и «извещая» о своем состоянии и предпринимаемых действиях другие ЛА. Средства нападения Противника смогут действовать с самоконтролем своих действий и не только автономно, но и коллективно, в составе группы, причем каждый объект из группы может выполнять разнообразные задачи в соответствии с некоторым замыслом, формируемым в реальном масштабе времени. Необходимо допускать проявление в ходе решения конфликтных задач своего рода «инициативы», то есть самостоятельного выбора целей и рационального поведения для их достижения.

Все рассмотренные выше предположения и основанные на них потенциальные возможности Противника выглядят фантастически и могут вызвать у ряда специалистов скептические улыбки. Однако в этих фантазиях нет никакой эмоциональности. Прогнозы развития информационных технологий [11], внедрение многочисленных инноваций в сферу телекоммуникаций [12], переход от огромных ЭВМ к планшетным компьютерам менее чем за 20–25 лет, успехи космической связи, беспроводных технологий делают указанные выше сценарии весьма реализуемыми.

В связи с развитием боевых возможностей оборонительных систем может случиться ситуация, когда эффективное решение боевых задач одиночными боевыми средствами станет невозможным. Необходимость групповых действий будет обусловливаться как острым дефицитом времени на принятие решений, так и сложностью самой воздушно-космической обстановки. Ситуации изменяются настолько быстро, что априорное целераспределение становится неэффективным (рис. 2).

Рис. 2. Перспективы развития средств воздушно-космического нападения на ближнесрочную перспективу (рисунок заимствован из статьи [50])

Проведенный анализ показывает, что определяющей и реализуемой с высокой степенью достоверности инновацией Противника при построении ПВС удара является возможность активного обмена информацией между объектами управления буквально в реальном масштабе времени, организации не индивидуального, а коллективного поведения боевых и ложных элементов и принятия коллективных решений с их эффективной индивидуальной реализацией. Тогда главной компонентой в инфраструктуре воздушно-космической атаки станет единая сеть интеллектуальных ЛА со специально организованной системой управления.

Наличие указанных потенциальных возможностей Противника существенным образом должно повлиять на принципы построения отечественных оборонительных систем и возможные пути их преодоления Противником. Можно прогнозировать, что оборонительные системы ПВО/ПРО, построенные на традиционных принципах, не смогут обеспечить требуемой адекватности при сетецентрической организации атаки перспективных боевых средств Противника. В этом случае многочисленные шутки по этому поводу (рис. 3) могут, к сожалению, стать явью.

Рис. 3. Шутка со слезами на глазах (рисунок заимствован с сайта www.moskva-kniga.ru)

Особо важное значение указанные вопросы приобретают в связи с необходимостью организации обороны как комплексной, воздушно-ракетно-космической, так как при массированных атаках самолетов, боеголовок баллистических и крылатых ракет различного типа задачи наблюдения, целераспределения и целезакрепления для соответствующих оборонительных систем становятся во многом определяющими.

1.3. Существующие разработки и заделы

Групповой полет взаимодействующих самолетов-истребителей является основным видом боевых действий при выходе в информационный контакт с целями[3]3
  Данный пункт написан по материалам работы [17].


[Закрыть]. Дальнее наведение группы и выведение ее в заданный район выполняются с использованием режимов командного наведения, бортового наведения, бортового поиска на борту командира, выступающего в ранге командира объединенной группы, командира группы или ведущего. При этом ведомые повторяют маневры командира или летят строем по заданной точке относительно ведущего. В бортовых системах российских истребителей, предназначенных в первую очередь для ведения групповых боевых действий и групповых воздушных боев, реализуется (с различной степенью полноты) информационное, помеховое и огневое взаимодействие в группе, однако недостаточна степень траекторного взаимодействия и практически отсутствует координированное наведение.

Исключительная важность придается обеспечению обмена между истребителями признаками атакуемых целей Противника в соответствии с определенной системой нумерации. Такая задача требует точного определения взаимного положения истребителей, оперативной передачи на борт командира трасс целей Противника, наблюдаемых бортовыми радиолокационными системами каждого истребителя, их отождествления, присвоения им единых номеров и выдачи этих номеров самолетам группы с признаками воздействия по этим целям других истребителей. Алгоритмы управления в этих условиях должны учитывать необходимость организации радиоэлектронного противодействия совместно с огневым и маневренным взаимодействием, обеспечения коллективной электромагнитной совместимости, выбора способа противодействия и взаимодействия в зависимости от состава группы и характеристик вооружения, а также от характеристик вооружения Противника и способа ведения им боевых действий.

Маневренное и траекторное взаимодействие истребителей как центральная составляющая групповых действий включает следующие элементы.

Построение боевого порядка. Способ построения боевого порядка определяется составом группы и характером боевого порядка (сомкнутый, разомкнутый, рассредоточенный), тактической обстановкой и вытекающим из нее положением требуемого рубежа окончания построения боевого порядка, навигационной обстановкой и режимом полета в заданном районе.

Маневрирование в боевых порядках (в том числе выдерживание строя, перестроение, координированное наведение, согласованные маневры с поиском целей, преодоление линии фронта и др.). Основным требованием к этому виду взаимодействия самолетов является выдерживание определенных пространственных и временных параметров полета. Выдерживание боевого порядка заключается в сохранении заданных временных или линейных дистанций между самолетами в группе. Особенностью полета группы в составе сомкнутого боевого порядка является строгое выдерживание всеми самолетами заданных дистанций и интервалов. При этом сохранение параметров строя может осуществляться как в нормальной земной системе координат (способ «все вдруг»), так и в траекторной системе координат ведущего самолета. В первом случае летные характеристики строя эквивалентны характеристикам наименее маневренного самолета из состава боевого порядка. Форма строя при этом не сохраняется (ведомый выходит вперед, меняются пеленги и т. д.). Способ «все вдруг» находит применение в основном при полете в разомкнутых боевых порядках, в случае выхода по окончании маневра на курс, близкий к начальному. Во втором способе маневрирования ведомые неизменно выдерживают свое место относительно ведущего и стремятся как можно быстрее устранить отклонения от назначенных интервалов, дистанций и разницы высот. Летные данные группы в этом случае снижаются в зависимости от глубины, ширины и высоты боевого порядка, так как различные самолеты имеют различные запасы по тяге, скорости, перегрузке и углу крена. Полет в разомкнутых боевых порядках имеет четко выраженную тактическую направленность. Ведомый повторяет траекторию полета ведущего с учетом специальных поправок в параметрах управляемого движения, при этом мгновенное пространственное состояние самолетов может различаться по углам крена и тангажа, по месту и моменту ввода в маневр. При боевом маневрировании группы каждый самолет должен выполнять свой маневр по рассчитанной траектории полета. Такие маневры имеют место при групповом бортовом наведении, при координированном наведении, при преодолении линии фронта и др.

Роспуск боевого порядка. Под этим понимается установление потребных интервалов между самолетами путем размыкания группы перед посадкой. В зависимости от навигационной и тактической обстановки размыкание осуществляется различными способами и заключается в выполнении совокупности маневров направлением и скоростью, обеспечивающих последовательный выход самолетов с посадочным курсом в заранее определенную точку на заданной высоте с заданной скоростью.

Анализ групповых действий позволяет выделить две самостоятельные задачи, которые необходимо решать в целях автоматизации управления движением самолетов при групповых маневрах: а) назначение заданной точки и б) выдерживание заданной точки. Это позволяет разработать универсальные методы и алгоритмы назначения заданной точки для каждого режима и вида маневра, выдерживания заданной точки, а реализацию новых маневров любой сложности сводить к назначению заданной точки и траектории ее движения (алгоритм отработки заданной точки может быть универсальным).

Основными показателями авиационного комплекса перехвата как транспортной системы по доставке полезной нагрузки в целевые условия применения являются рубежные и временные характеристики. Под рубежом перехвата принято понимать радиус полета самолета при заданном запасе или остатке топлива на борту и при условии выхода перехватчика в определенные конечные условия для боевых действий (поиска, обнаружения, наведения, атаки и др.). Другим основным показателем транспортных возможностей является время прибытия на максимальный по топливу рубеж.

Важно и то, что выполнение боевых действий перспективным истребителем будет обеспечено только при наличии на борту оценки достаточности имеющегося топлива для решения всех дальнейших задач. При этом имеются в виду ограниченный запас топлива, необходимость использования его предельных по дальностям, высотам и скоростям режимов полета, изменчивость и неопределенность внешних условий и другие факторы.

Итак, в общем случае групповое движение самолетов имеет характер специально спланированной и корректируемой в ходе действий боевой операции. Она выполняется группой самолетов в автономном полете или при информационной поддержке внешних систем наведения, а также с бортов взаимодействующих самолетов. За счет формирования траектории наведения и учета летно-технических характеристик самолетов во внешней АСУ при командном наведении полностью реализуются рубежно-временные характеристики самолета.

Выше описывались групповые действия пилотируемых самолетов. Но уже более десяти лет назад в США отрабатывались методы совместного движения и беспилотных летательных аппаратов со свойствами изменения маршрутов полета к цели при получении признаков радарного обнаружения, скоординированного группового пилотажа нескольких самолетов, обменивающихся в полете информацией через специальное средство связи, управление группой летательных аппаратов с последующей передачей оператором контроля над двумя самолетами своему другому удаленному объекту и др. [66]. Актуальность таких задач только возрастает.

Роботы используются во многих областях науки, техники и промышленности, в первую очередь там, где жизнедеятельность человека либо затруднена, либо вообще невозможна, например в зонах радиоактивного или химического загрязнения, в условиях боевых действий, при проведении подводных или космических исследований и т. п. В работе [5] подчеркивается, что «одиночный робот, каким бы интеллектуальным он ни был, может использоваться только для решения некоторых частных задач либо для выполнения довольно простых операций, поскольку он, как правило, обладает сравнительно малыми возможностями для выполнения поставленной задачи (небольшой радиус действия, ограниченный бортовым энергоресурсом; небольшое число выполняемых функций, невысокая вероятность выполнения задачи в экстремальных ситуациях и т. п.».

К числу основных преимуществ коллективного применения роботов относят больший радиус действия, расширенный набор выполняемых функций, и, что возможно самое главное, более высокую вероятность выполнения задания, достигаемую за счет возможности перераспределения целей между роботами группы в случае выхода из строя некоторых из них.

В работе [5] разработана общая теория группового управления роботами в условиях динамических, недетерминированных сред. В ней дана классификация по уровню алгоритмической сложности задач группового управления роботами для различных условий их применения. При этом показано, что для организации систем управления группами роботов целесообразно использовать некоторые общие стратегии, применяемые для управления во всех технических, социальных и природных группах. Выделены стратегии централизованного, децентрализованного и комбинированного управления.

В наиболее общем случае в систему группового управления роботами рекомендовано включать подсистему планирования групповых действий, локальные бортовые системы управления отдельных роботов группы, отвечающих за реализацию групповых действий и бортовые исполнительные устройства отдельных роботов.

В основу предлагаемого подхода положены принципы коллективного управления и следующие положения:

• каждый член коллектива самостоятельно формирует управление и определяет свои действия в текущей ситуации;

• выбор действий членами коллектива осуществляется только на основе информации о цели, стоящей перед коллективом, ситуации в среде в текущий момент времени, текущих состояниях и действиях других членов коллектива;

• в качестве оптимального действия члена коллектива понимается такое действие, которое вносит максимально возможный вклад в достижение общей цели;

• допускается принятие компромиссных решений.

Задача сводится к выбору и выполнению в текущий момент времени роботами группы таких групповых действий, которые обеспечивают экстремум (максимум, если оцениваются выгоды от действий роботов группы, или минимум, если оцениваются затраты) целевого функционала с учетом вектора противодействующих сил на промежутке дискретного времени t.

Предложен подход к решению дискретной задачи коллективного управления группой роботов, основанный на использовании итерационной процедуры, в рамках которой роботы последовательно выбирают свои очередные действия.

В последние годы в мире активно разрабатывается новое научное направление «Природные вычисления» (Natural Computing). Иногда под ними понимаются некоторые алгоритмические действия, которые можно наблюдать с реальными объектами в живой природе. Эти алгоритмы реализуют принципы природных механизмов принятия решений, которые обеспечивают эффективную адаптацию флоры и фауны к окружающей среде на протяжении нескольких миллионов лет. Безусловно, брать такие алгоритмы для решения конкретных научно-технических задач проблематично, тем более, что исследователи лишь схематично могут отразить в процессе предположений и моделирования истинные явления. Вместе с тем такие алгоритмы строятся по установленным в процессе специально организованных экспериментов природным закономерностям, в основу которых закладываются достаточно простые принципы, полезные для осмысления группового движения и объектов неживой природы. Ярким примером является широко распространенный метод «погони» для наведения зенитной ракеты на цель, в основу которого положен алгоритм «погони лисы за зайцем» (вектор скорости ракеты всегда направлен на цель [38]).

В работе [60] вводится предположение, что будущей организационной единицей в конфликтах станет «стая». При этом предполагается, что стая будет использовать централизованную стратегию, но децентрализованную тактику действий. При этом различные силы будут действовать одновременно против Противника со всех направлений.