автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка методов организации вычислительного процесса и оценки требований к бортовым управляющим ЭВМ, специализированным для решения класса задач угловой ориентации

;.: / --у

«МЛТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕХ ДОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № У

УДК 621.825.8

ВОЛКОВ Алексей Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА И ОЦЕНКИ ТРЕБОВАНИЙ К БОРТОВЫМ УПРАВЛЯЮЩИМ ЭВМ, СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ КЛАССА ЗАДАЧ УГЛОВОЙ О РИ ЕМТАНИИ

Специальность: 05.13.16 — Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в «МАТИ» — РГТУ имени К. Э. Циолковского.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Глудкин О. П.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Пескова С. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Александровская Л. Н.

кандидат технических наук, профессор Коновалов Г. Ф.

Ведущая организация: ОАО «НИЦЭВТ» (Научно-исследовательский центр электронной техники)

. Защита состоится « » _2000 года в

/ /_ часов с аудитории на заседании диссертационного совета в МАТИ — РГТУ имени К. Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ — РГТУ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, д. 3, Ученый совет МАТИ — РГТУ.

Автореферат разослан « ^ш» . _2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д-063.56.02, доктор физико-математических наук^

профессор Метелкин Евгений Владимирович

мо-ВТТЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА _2000 -3-

Общая характеристика работы

.Актуальность темы диссертации. Одной из главных тенденций построения современных бортовых комплексов, ориентированных на их успешное функционирование в боевых условиях, является создание мошных многопроцессорных бортовых вычислительных комплексов (ВПК), предполаг ающих максимальную равномерность загрузки их основных компонент и возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей на решение задач и реализацию вычислений, наиболее важных в данной обстановке с точки зрения выполнения общих функций.

Такая организация функционирования БВК, с одной стороны, позволяет максимально увеличить надежность и живучесть всего Л А в условиях современного воздушного боя, а с другой - диктует необходимость разработки и систематизации всего или максимально широкого круга алгоритмов и моделей функционирования на основе единого математического описания, что является одним из главных факторов, определяющих необходимость специализации компонент БВК.

Другим важнейшим направлением организации функционирования современных бортовых комплексов, максимально расширяющим их возможности, является переориентирование, перенос основной функциональной нагрузки с традиционно применяемых на борту сложнейших многокоординатных измерительных электромеханических гироустройств и стабилизированных гироплатформ, часто непосредственно формирующих необходимую выходную информацию и потому жестко специализированных на выполнение конкретных, частных задач, на БВК, функционирующих от простейших датчиков информации - так называемых бесплатформениых бортовых систем и комплексов.

Поэтому тема диссертации, посвященная разработке единого подхода для реализации достаточно широкого круга задач угловой ориентации, разработке математических функциональных моделей и соответствующего матричного алгоритмического обеспечения бортовых пилотажно-навигационных комплексов, а также систем управления вооружением, и потому предполагающего единую специализацию основных компонент многопроцессорных БВК современных ЛА, является весьма важной и актуальной. Цель работы: решение проблемы распараллеливания процесса цифровой обработки за счет перевода на матричный уровень и единой организации алгоритмического обеспечения бортовых систем и комплексов угловой ориентации.

Для указанной цели поставлены и решены следующие задачи: - сделан аналитический обзор существующих принципов и средств организации вычислительного процесса; на основе анализа методов организации цифровой обработки информации обоснованы общие пути перевода алго-

ритмического обеспечения в системах и комплексах угловой ориентации на уровень обработки потока данных, на единой математической основе;

- обоснована принципиальная возможность и предложена единая организация на матричном уровне алгоритмического обеспечения в бортовых системах и комплексах угловой ориентации - главный фактор, определяющий возможность реализации вычислений на уровне обработки потоков данных и на основе матричных процессоров;

- произведена разработка и выявлена возможность систематизации по модульному принципу построения алгоритмического обеспечения и функциональных моделей цифровой обработки информации в бортовых комплексах угловой ориентации;

- произведена оптимизация архитектуры компонент-модулей БВК по критерию минимума их загрузки в штатных режимах функционирования бортовых комплексов Л А;

- предварительно проанализирована и обоснована реализуемость на современной отечественной элементной базе усовершенствованного матричного алгоритмического обеспечения при решении класса задач угловой ориентации в наиболее тяжелых нештатных режимах функционирования БВК при комплексном обслуживании бортовых систем цифрового управления ЛА.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена концепция организации процесса цифровой обработки в многокомпонентных бортовых вычислительных комплексов, построенная на основе принципов модульности и структурного единства алгоритмического обеспечения, а также операшвностн перераспределения функциональной нагрузки между компонентами БВК и их единой специализации, результатом которой является переход ог аппаратного резервирования к системному;

- разработан и широко применен метод простейших кинематических связей (ПКС) для единой реализации решений и систематизации алгоритмического обеспечения в бортовых комплексах ориентации, навигации и цифрового управления вооружением современного ЛА;

- на основе метода ПКС разработаны и по принципу структурного единства алгоритмического обеспечения систематизированы функциональные модели широко известных и применяемых пилотажно-навигационных комплексов, а также бортовых комплексов вооружения Л А;

- обоснованы требования и по критерию минимума произведена оптимизация скорости цифровой обработки в системах и комплексах управления ЛА;

- разработан метод предварительной опенки требуемой производительности БВК и реализуемости предлагаемого алгоритмического обеспечения в штатных и нештатных режимах функционирования БВК и бортовых комплексов.

Достовсрность и обоснованность результатов. Результаты, полученные автором и рамках диссертации, проверены моделированием с применением средств компьютерной графики разработанных функциональных модулей цифровой обработки информации бортовых пилотажно-навигпционных комплексов и комплексов управления вооружением, что подтверждает их работоспособность, а также достоверность предложенного метола ПКС. Предварительная опенка требований по быстродействию 1>ВК п различных режимах работы бортового комплекса подтвердила реализуемость сформированных в работе точных алгоритмов функционирования при потоковой обработке информации и организации компонент БВК на основе аппаратных средств, реализующих распараллеливание вычислений в реальном масштабе времени. Основные положения, выносимые на защиту:

- предложенная концепция, построенная на широко известных принципах организации вычислительного процесса показала необходимость реализации цифровой обработки на уровне потоков данных и целесообразность единой специализаций компонент бортового вычислительного комплекса;

- разработанный метод простейших кинематических связей позволяет перейти к обработке потоков данных за счет рациональной организации решения задач угловой ориентации на матричном уровне;

- разработанный комплекс функциональных моделей и соответствующее матричное алгоритмическое обеспечение бортовых систем ориентации, пилотирования, навигации и управления вооружением ЛА делает возможным переход от аппаратного к системному резервированию компонент БВК, а также приводит к существенному сокращению объемов вычислений при переходе от последовательного к параллельному способу цифровой обработки;

- предложенный метод формирования требований по скорости цифровой обработки позволяет производить ее оценку на основе анализа устойчивости и в зависимости от динамики входных воздействий, а также требований по точности функционирования бортовых комплексов и режимов управления ЛА;

- разработанный метод предварительной оценки требуемой производительности, получаемой в зависимости от сложности реализации вычислений, их объема и требований по скорости цифровой обработки, а также системных издержек, позволяет оценивать реализуемость предложенного комплекса матричных алгоритмов и производить оптимизацию архитектуры аппаратных средств по критерию минимума коэффициента загрузки БВК.

Апробация п практическая ценность. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях;

- Втором Международном аэрокосмическом конгрессе ( сентябрь 1997, г. Москва) 2 доклада;

-6- Третьей международной конференции «Электромеханика и электротехнологии» (сентябрь 1998, г. Москва) - I доклад;

XXIV Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ (апрель 1998., г. Москва) - 5 докладов.

На основе теоретических положений, предложенных в диссертационной работе возможно создание управляющих алгоритмов в авиационных и космических системах угловой ориентации, навигации и астронавигации, в современных бортовых радиолокационных комплексах, многолучевых доп-плеровских высотомерах, танковых, самоходных артиллерийских и судовых системах угловой ориентации, решение других задач, использующих сферическую тригонометрию.

Результаты работы внедрены на предприятии НИЦЭВТ, в учебный процесс в МГТУ им. Н.Э.Баумана и в "МАТИ"-РГТУ им. К.Э. Циолковского, что подтверждается актами внедрения, приведенными в приложениях к диссертации.

Математическая основа диссертации. Положения диссертации базируются на теоретических положениях матричного исчисления, сферической тригонометрии, теории оптимизации, теории вероятностей, теории ошибок. Предмет исследования. Алгоритмы функционирования и математические модели модульных бортовых систем пилотирования, навигации и систем вооружения Л А.

Личным вклад автора. Автором работы предложены:

- концепция обшей организации вычислительного процесса в многопроцессорных модульных БВК Л А, представляющая возможность оперативного перераспределения функциональной нагрузки между основными компонентами, модульность построения алгоритмического обеспечения и общую специализацию аппаратных средств на основе единой математической основы решения широкого класса задач угловой ориентации;

- метод простейших кинематических связей, позволяющий на основе исходного матричного аналитического описания формировать алгоритмы однозначного решения задач сферической тригонометрии любой сложности;

- метод предварительной оценки эффективности организации процесса цифровой обработки но величине и изменению значений коэффициента загрузки компонент БВК;

- математические модели функционирования бортовых систем пилотирования, навигации и управления вооружением Л А и предварительная оценка требуемого объема вычислений соответствующего алгоритмического обеспечения;

- комплекс рекомендаций по требуемой скорости формирования выходной информации в бортовых системах ориентации, навигации и управления вооружением;

-7- методы оценки требуемой производительности БВК и его компонент при организации цифровой обработки в реальном масштабе времени для различных режимов функционирования бортовых комплексов управления ЛЛ.

Ряд -экспериментальных разработок выполнен при творческом участии коллег.

Публикации. По материалам и результатам диссертации опубликованы: 14 статей, докладов и тезисов.

Структура п объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений с актами внедрения.

Содержание работы

Во введении предложена и сформирована концепция модульности построения структур БВК как система принципов ее организации, основанная на:

- принципе максимума живучести бортовых комплексов управления;

- принципе оперативного перераспределения вычислительной нагрузки между компонентами управляющего БВК;

- принципе единого вычислительного пространства на борту Л А;

- принципе структурного единства алгоритмическою обеспечения, предполагающего максимальное удобство реализации на базе специализированных аппаратных средств для решений задач одного класса, сформированных в виде одинаковых вычислительных структур и, в частности, в виде одинаковых алгоритмических модулей;

- принципе единой специализации основных компонент, предполагающем единую модульную организацию БВК;

- принципе реализации цифровой обработки информации на основе распараллеливания вычислительного процесса;

- принципе модульности построения процесса цифровой обработки, предполагающем ее наиболее рациональную реализацию;

- прниципе равномерности распределения функциональной нагрузки среди компонент цифровых систем, который предполагает при наличии на борту развитой вычислительной базы перенос на нее части функциональной нагрузки с других компонент бортовых комплексов, что часто приводит к упрощению последних.

В соответствии с принятой концепцией установлено, что повышение эффективности функционирования БВК может быть достигнуто за счет следующих основных факторов:

- повышения быстродействия элементной базы БВК;

- совершенствования аппаратных средств и программного обеспечения БВК;

-8- перехода на параллельную цифровую обработку за смет совершенствования общего алгоритмического обеспечения при разработке моделей функционирования бортовых комплексе н

Поэтому предметом исследовапкч шссертации является также матричное алгоритмическое обеспечение и организация вычислительного процесса на базе трехкомпонентного БВК, построенного па основе принятой концепции и основных компонент - модулей: управляющих ЭВМ пилотажно - навигационной системы, бортового комплекса цифрового управления вооружением, а также процессора обработки данных бортового радиолокационного комплекса.

В результате анализа существующих путей исследования сложных систем, а в его рамках бортового комплекса управления Л Л. пока шно, что математическое моделирование является наиболее 'эффективным аппаратом и средством повышения эффективности БВК, а аналитические модели могут быть также использованы как средства формирования предварительных опенок и выявления «узких» мест цифровой обработки и оптимальных средств ее совершенствования.

В соответствии с принятой концепцией во введении произведен аналитический обзор современных бортовых комплексов цифрового управления ЛЛ н особенностей организации их информационного обеспечения. Выявлены повсеместный полный или частичный (в большинстве случаев обоснованный) отход от принципов организации БВК, отсутствие общего системного подхода при организации процесса цифровой обработки на борту Л Л и оперативности перераспределения функциональной нагрузки между бортовыми вычислительными средствами - главного препятствия при переходе от аппаратного к системному резервированию компонент БВК.

В результате проведенного сравнительного анализа существующих методов описания и решения задач угловой ориентации в бортовых комплексах управления ЛА обзор позволил сделать следующие основные выводы:

- задачи угловой ориентации занимают'значительное место в общем объеме цифровой обработки на борту ЛА;

- -отсутствует структурное единство алгоритмического обеспечения процессов цифровой обработки при решении задач угловой ориентации в бортовых комплексах управления ЛА, что сильно ограничивает возможность единой специализации аппаратных средств и реализации единого вычислительного пространства на борту Л А;

- цифровая обработка для каждой бортовой системы и режима организуется на скалярном уровне, носит последовательный характер, что является существенным препятствием облегчения условий функционирования компонент БВК;

- структурное единство алгоритмического обеспечения, а также организации вычислительного процесса в реальном масштабе времени на уровне обработки потоков данных могут быть достигнуты в результате успешно-

-(>-

го совершенствования методов решения на матричном уровне задач угла вой ориентации.

На основе сформированных концепции и принципов организации, а также произведенных обзора и анализа состояния современных бортовых комплексов управления, режимов их функционирования и существующей организации процесса цифровой обработки в БОК, по введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость и основные положения выносимые на защиту.

Первая глава посвящена основной проблеме формирования кинематических алгоритмов цифровой обработки информации в бортовых комплексах управления ЛА. Главная проблема здесь - отсутствие эффективных методов формирования решений при возможности общего матричного описания задачи угловой ориентации любой сложности, имеющего вид:

ПК,(си)=1, 1=1,2,3; г>5 (1)

¡=1

где К|(а|) - матрицы простейших угловых поворотов.

Формирование решений на матричном уровне в задачах класса угловой ориентации в бортовых комплексах и автоматических режимах цифрового управления позволяет реализовать разработанный и широко используемый в диссертации метод простейших кинематических связей (ПКС). Сущность метода: преобразование громоздкого и сложного исходного матричного описания задачи в систему простейших матричных соотношений, реализуемую на основе

разложения исходной кинематической картины рассматриваемой задачи на простейшие кинематические связи.

Процесс решения задач угловой ориентации на основе метода ПКС базируется на следующих основных положениях:

- полный набор ПКС включает всего три их типа, а следовательно, имеется всего три типа простейших матричных соотношений - модулей цифровой обработки, на которые может быть разложено исходное матричное описание задачи угловой ориентации любой сложности;

- для каждого из типов ПКС их решение может быть организовано достаточно просто при числе неизвестных не более трех.

Полный набор ПКС, показан на рисунке 1 дпя каждого из которых простейшие матричные соотношения (модули цифровой обработки) имеют вид, соответственно:

- для группы вращений по углам (а,с1), (Ь,с), е:

Я,(Ь) 1*2(а) = 1*2(<1) Кз(е) И,(с); (2)

- для группы вращений по углам (а,1), (ш,п), р:

К2(а)Нз(т) = Нз(п)Н1(р)Н2(»); (3)

Рис. I. Геометрия простейших кинематических связей при решении задач угловой ориентации

- для группы вращений по углам (Ь,Ь), (Г.у:), к:

1М0Н,(Ь) = Н1(пЖ2(к)К,(й). (4)

В рамках метода ПКС доказана теорема общности его применения для формирования решений в задачах угловой ориентации произвольной сложности.

Теорема. Кинематика любой, сколь угодно сложной задачи уг ловой ориентации может быть представлена в виде совокупности простейших кинематических связей, а соответствующее исходное матричное описание (1) - в виде системы простейших матричных соотношений вида (2)-(4).

Формирование однозначных решений с помощью простейших кинематических связей достигается,благодаря сформированным в рамках метода свойствам:

- свойство знакосоответствия угловых координат в стандартных кинематических связях: знак» транспонирования или их отсутствие в матричных описаниях для каждой из простейших кинематических связей однозначно определяют взаимное соответствие знаков входящих угловых координат;

- свойство парности угловых координат в стандартных кинематических связях: углы, входящие в простейшую кинематическую связь, являются парными, если при любых возможных значениях других угловых координат их модули, округленные в одну сторону до целого числа квадрантов равны, то есть углы а и (5 - парные, если при условии

П7Г/2< |ОС|<(п+1 )тс / 2

справедливо равенство

ш/2< |р|<(п+1)л / 2

и наоборот;

(при описании групп вращений в матричных соотношениях (2)-(4), соответствующих различным типам простейших кинематических связей, парные углы заключены в скобки). В рамках свойства парности угловых координат сформулированы также соответствие знаков парных углов, условия и процедуры их однозначного определения.

Метод ПКС представляет универсальный способ:

- разбиения исходного матричного описания на простейшие модули цифровой обработки с единой процедурой решения;

- организация рациональной последовательности в виде поэтапного решения задачи угловой ориентации любой сложности;

- решения в рамках каждого модуля на уровне обработки потоков данных, предполагающего минимизацию длины вычислительных цепей;

- получения однозначных результатов цифровой обработки при отсутствии ограничений для области определения исходных данных;

Таким образом, разработанный метод ПКС является средством организации на матричном уровне решения широкого круга задач сферической тригонометрии и угловой ориентации, а также основой структурного един-

ства алгоритмического обеспечения процесса цифровой обработки в бортовых комплексах управления J1A.

Вторая глава диссертации посвящена формированию на основе предложенного метода ПКС модулей цифровой обработки, производимой в пило-тажно-навигационном комплексе J1 А. Реализован перевод на матричный уровень традиционно применяемого на борту алгоритмического обеспечения:

- функциональных модулей ПНК:

- формирования управляющих воздействий на исполнительные механизмы (рули управления) в процессе автопилотирования;

- формирования параметров триады текущей угловой ориентации Л А на основе данных, снимаемых с датчиков бесплатформемпого позиционного гирокомплекса;

- модулей оперативного формирования исходной информации для ПНК:

- коррекции показаний магнитного компаса при определении текущего географического курса в режиме полета по локсодромии;

- определения параметров направления кратчайшей траектории полета между исходным и конечным пунктами маршрута в режиме полета по ортодромии;

- модуля определения угловых параметров начальной установки гироуст-ройств бесплатформенного позиционного гирокомплекса в процессе его предполетной подготовки, а также оперативной коррекции углового положения осей его гиромоторов при программном изменении направления полета в режиме автопилотирования;

- модулей оперативной компенсации погрешностей формирования данных гиродатчиками ПНК:

- центральной гировертикали при уходах оси ее гиромогора;

- магнитного компаса на бугеле при полетах Л А на виражах. Особенности организации процесса цифровой обработки на матричном

уровне удобно рассмотреть на примере разработанных функциональных моделей формирования параметров направления полета но ортодромии и начальной настройки гироскопического указателя направления ортодромии. Геометрия, соответствующая этим моделям, представленная в виде разложения исходных картин на простейшие кинематические связи, показана на рисунках 2 и 3, соответственно. Первая функциональная модель позволяет однозначно формировать угловую ориентацию ортодромического экватора, определяемую параметрами 9 и сг и может быть достаточно просто оперативно сформирована на борту J1A путем решения исходной системы простейших матричных уравнений:

Ri(A MIM )R,(9) = R3(ß)R,(<p КИМ ктГ CT) (5)

Ki(q>2,„„)R2(AM = R2(e)R3(ß.)Ri(<pHn,) (6)

R2(AA) R3(ß2) = Rj(cx) R,(<p„mM) R2(e), (7)

Рис 2 Геометрия связи параметров угловой ориентации орголромическон СК с географическими координатами ИПМ и КПМ

ЮЛ юс .ортОДрОМШ*

У««,

Рис.3. Геометрия реализации ортодромическй СК на борту ЛА

при известных (Л, (р)„„м, „,„ географических координатах исходного и конечного пунктов маршрута полета.

Функциональная модель начальной установки оси гироскопического указателя направления ортодромии при известных угловой ориентации орчо-дромического экватора (параметры 0 и о) и триаде ориентации связанной СК относительно инерииальной (параметры \|/, о и 7) позволяет однозначно формировать параметры ак. и ¡3,.- угловой ориентации оси УНО путем решения исходной системы матричных уравнений:

Н,(Б)И2(0) = К2(м'+Ч'к) Из(ф)К|(Х-ст) (8)

Н|(8|)К2(1|/к) = К2(Д)Пз(72)К,(и) (9)

И2(ак) Кл<Г1> = >МРк) К|(52) Н2(Д). (10)

Данные выше исходная система матричных уравнений являются результатом разложения с помощью метода ГЖС общих матричных описаний геометрии рисунков 2 и 3 на простейшие компоненты, легко поддающиеся решению.

При моделировании процессов, комплексов и режимов цифрового управления на борту ЛА обязательной является имитация работы широко применяемых двухгироскоиных позиционных гирокомплексов, а значит, необходимой и разработанная в главе на основе метода ПКС аналитическая модель такого гирокомплекса. Примером имитатора является модель гирокомплекса «крен-тангаж» - «курс-тангаж», для которой при заданных значениях каждой из составляющих триады (у, и, у)1ек угловой ориентации СК, жестко связанной с бортом ЛА, относительно инерииальной СК, параметры 4/1, V)) углового разворота осей гиромоторов могут быть однозначно определены в результате решения исходной системы матричных уравнений:

I*, (Щ2Т (у)= И2т(А) Нлт(Аг)К,(и) (11)

Кг^пШг+Ау) = ад К,т(Х,)Н2т(А) О*) 1*3(71)^^2) = К|Т(г),> К2Т(Ч,и)Кз(5) (13)

Основным достоинством модификации алгоритмического обеспечения и сформированных на его основе функциональных моделей компонент - модулей бортового комплекса автопилотирования Л А является организация цифровой обработки на матричном уровне, предполагающем широкие возможности распараллеливания вычислительного процесса, реализуемого в реальном масштабе времени.

Сформированные модули могут также использоваться в качестве компонент цифровой обработки в рассмотренных ниже бортовых комплексах управления вооружением, в процессе функционирования, требующих изменений угловой ориентации корпуса и направления полета Л А.

В третьей главе на основе предложенного метода ПКС разработаны функциональные модели цифровой обработки информации для всего ассортимента применяемых на борту комплексов управления вооружением:

-15- па матричном уровне и целиком средствами сферической тригонометрии решена традиционная задача наведения ИП на цель с помотыо самолетов ДРЛО по метолу триангуляции;

- функциональные модели бортовых неподвижного н поворотного артиллерийских комплексов наведения с полным упреждением на маневрирующие воздушные цели на основе данных, формируемых БРЛ;

- функциональная модель бортового комплекса бомбометания и пуска ПАР класса «воздух-поверхность» на основе данных, формируемых БРЛ.

Одной из главных особенностей современных бортовых комплексов вооружения является организация режимов их функционирования при отсутствии прямой видимости цели, и следовательно, использование в качестве системы формирования требуемой информации о целях многофункционального бортового радиолокатора. Поэтому в главе на основе предложенного метода ПКС произведен перевод алгоритмического обеспечения и разработана функциональная модель формирования на матричном уровне информации, организуемого на базе процессора обработки данных в современной многофункциональной БРЛС для режимов обзора и сопровождения маневрирующих воздушных целей.

Характерным примером из числа разработанных в главе является функциональная модель бортового поворотного артиллерийского комплекса наведения с упреждением автоматической авиационной пушки на маневрирующую воздушную цель. Основой этой функциональной модели является исходная геометрия связи параметров, показанная на рисунке 4. Разработанное матричное алгоритмическое обеспечение предполагает формирование пеленгов полного упреждения ствола орудия относительно текущего направления на цель, определяемого радиолокационным визиром, установленным на артиллерийском стволе. Цифровая обработка реализуется в масштабе реального времени и производится в следующей последовательности:

- формирование текущих пеленгов фу, гк-тск цели относительно связанной СК реализуется на основе решения исходной системы матричных уравнений:

К1Т(фг к-сгв тек ц-ств тек )=И2т(а)Из(у)Н,т(Д), (14)

ИзОО К.(фг п-ето тек +А) = Н|(<р2 к-цток )1*2(р)Из(у), (15)

причем

фУ к-птск ~ фУ К-СП1 тек « + Р (16)

- решение треугольника упреждения реализуется на основе рекурсивной процедуры решения классической системы уравнений:

(17)

|Вс(«|, = И

£ ц тек (ЗиЛ тек + Ш»гШ (18)

1ШЬ = (У., л ,ек Ш + (А„л,ск- |1гЬ2/2) (19)

Рис.4 Кинематика наведения с упреждением бортового поворотного артиллерийского орудия с радиовизиром на стволе

гле искомым является вектор B.ri(tr), данный в проекциях на оси лучевой СК, а начальное приближение для времени сближения снаряда и цели имеет вид:

[<г|(.= п„.ск/|Удлт1Ие,/(И| (20)

- формирование ракурсов Ецгупр тип полного упреждения ствола орудия с учетом поправок на баллистику снаряда и собственный маневр JIA производится на основе решения векторного уравнения:

]Ы*г) - tl<RGTbAC,cK+ÇGtf/2)=ttRrvnp,>o,1,T|Var,n+FIcrrBt(/(2\laI)|=C={c,} (21) откуда

EBjiipiiojiii = arctg(c2/ci) (22)

сг упр ПОЛИ

arcsin {сз/tf |УД- F1ct|/(2Mcn)|} (23)

- решение прямой задачи ориентации при известной текущей угловой ориентации ЛА (триады (vy, и, 7),ск) перехода от ракурсов полного упреждения sb, Г VHP no.m к его пеленгам фу, Z к-сгв игр поли с помощью системы исходных матричных уравнений

R2(<pv К-СТВ лир ПОЛИ В упр imwii ,)R2(t|) (24)

упр 110.41» О = Ri(q>zк-ствупрпол») R2(e)R3(A) (25)

jnp no.m 3)R2(Er >„p пагТ^тс) = R2(T| ) Rj(5)R|(Dick) (26)

- формирование искомых пеленгов упреждения <ру,/_ .кпифпо.™ "а основе решения системы маричных уравнений

к-стпупр 110.111)^2 (фУк-н TcK-fYn-сшупрпмн)- (27)

=R2T(<PYi«mMip..«.4.+5)R3T(Ai)Rl(9l), Zu-ctn упр ноли

) R2t(S) R/(AI)> (28)

где

q>2 =фгк-1(тек-ф| (29)

Цифровая обработка также организована на матричном уровне, предполагающем однозначное определение искомых параметров управления угловым положением ствола, и следовательно, распараллеливание вычислительного процесса, реализуемого в масштабе реального времени, что, в свою очередь, предполагает значительное снижение требований к производительности основных компонент БВК.

В рамках второй и третьей глав диссертации произведена оценка объемов цифровой обработки для каждого из рассмотренных бортовых комплексов управления и режимов их функционирования. Одним из важных результатов произведенной оценки является значительное перераспределение объемов вычислений по типам математических операций, возникающее при переходе от последовательного способа обработки к параллельному, что позволяет предполагать значительные изменения требований к производительности компонент - модулей БВК.

В четвертой главе, в соответствии с общими целями исследования диссертации разработан метод формирования требований к скорости цифровой

обработкн, реализуемой в масштабе реального времени в замкнутых цифровых системах управления на борту Л Л.

Выбор требуемой скорости процесса цифровой обработки проводился на основе широко известных классических требований динамического синтеза для шести основных автоматических режимов функционирования бортовых комплексов управления ЛЛ:

- пилотирование по заданному маршруту;

- перехвата маневрирующей воздушной цели;

- наведение с упреждением неподвижного и поворотного артиллерийских орудий;

- бомбометания и пуска НАР класса «воздух-поверхность»;

- авгосопровождение цели в цифровом радиолокационном комплексе.

В отличие от традиционных, целью произведенного в главе динамического синтеза является обоснование оптимальных требований по скорости цифровой обработки, являющейся с точки зрения динамики функционирования важнейшим параметром, определяющим как устойчивость каждого из автоматических режимов, так и основные погрешности отработки входных воздействий.

Одним из главных путей уменьшения скорости процесса цифровой обработки в диссертации являлось максимальное повышение порядка астатизма дискретных динамических структур автоматического функционирования бортового комплекса управления ЛА: для всех замкнутых контуров астатизм принимался не ниже второго, а в каналах компенсации угловых колебаний ЛА были сделаны удачные попытки дальнейшего повышения порядка астатизма.

Оптимизация проводилась по критерию минимума требуемой скорости цифровой обработки, соответствующей допустимым значениям других параметров (коэффициентов дифференциальных уравнений процессов), получаемым традиционными классическими методами их коррекции и обеспечивающим заданное требование по динамике.

В пятой главе предложен метод оценки требуемой производительности компонент БВК Л А, работающих в масштабе реального времени. В основе оценки лежат главные факторы: объем необходимых вычислений; сложность реализации используемых математических операций и функционалов; требуемая скорость формирования данных в процессе цифровой обработки; системные издержки, определяющие сложности управления аппаратными средствами БВК, и задержки при обмене информацией.

Исходя из наиболее общих известных положений организации вычислительного процесса для основных и наиболее часто применяемых архитектур компонент БВК произведена предварительная оценка сложности реализации арифметических операций и функционалов, участвующих в цифровой обработке .

13 качестве главной характеристики, определяющей эффективность

функционирования компонент БВК, выбран коэффициент загрузки вычислительного устройства, работающего в реальном масштабе времени.

В процессе предварительного анализа реализуемости алгоритмов цифровой обработки, предложенных в работе:

- произведена оптимизация архитектуры компонент БВК по критерию минимума их загрузки:

- при неизменном быстродействии аппаратных средств БВК показано значительное снижение (в 1.8 - 2 раза) загрузки его компонент за счет распараллеливания процесса цифровой обработки для основных режимов функционирования бортовых комплексов управления ЛА:

- произведено обоснование реализуемости процесса цифровой обработки, построенного на основе его матричной алгоритмизации (распараллеливание вычислительного процесса) для наиболее тяжелых нештатных режимов функционирования БВК при совместном обслуживании бортовых комплексов управления ЛА;

- выявлено, что распараллеливание вычислительного процесса является главной причиной эффективной реализации цифровой обработки в бортовых комплексах управления ЛА при достигнутом уровне быстродействия отечественных аппаратных средств БВК;

- показано, что при выбранной оптимальной архитектуре компонент БВК и параллельной цифровой обработке реализуемость вычислительного процесса в наиболее тяжелых режимах эксплуатации может быть сохранена даже при снижении на 30% быстродействия используемой элементной базы.

Основные результаты работы:

1. Предложена концепция единого вычислительного пространства на борту ЛА, предполагающего возможность оперативного перераспределения функциональной нагрузки между компонентами БВК при реализации всего комплекса задач и алгоритмов в различных режимах функционирования, на основе единого математического аппарата для алгоритмического обеспечения всего вычислительного процесса, либо его значительной части. Это предполагает возможность перехода .от аппаратного резервирования к системному, что при одинаковых требованиях по живучести позволяет существенно снижать массогабариты БВК.

2. В соответствии с предложенной концепцией организации вычислительного процесса и мультимикропроиессорного БВК произведен предварительный анализ классов задач, реализуемых на борту ЛА. Выявлено, что объем цифровой обработки информации для реализации задач угловой и пространственной ориентации в рамках комплексов пилотажно-навигационного и управления вооружением является значительным (не менее 30%) в общем объеме распределения вычислительных мощностей

БВК по классам реализуемых задач, а потому он предполагает целесообразность единой специализации всего аппаратного обеспечения БВК (на пример, его построение на основе матричных процессоров) для решения задач класса сферической тригонометрии.

3. В рамках целесообразности применения единого математического аппарата для реализации всего комплекса задач угловой ориентации на борту ЛЛ предложен и разработан метод простейших кинематических связей (ПКС), позволяющий организовать основной объем цифровой обработки на матричном уровне в отличие от традиционно применяемых скалярных методов и алгоритмов их решения.

4. На основе предложенного метода простейших кинематических связей разработан полный набор функциональных моделей для оперативной (в масштабе реального времени) цифровой обработки в рамках пилотажно-навигациопного комплекса Л А от их предполетной подготовки до управления исполнительными устройствами в процессе пилотирования и вывода ЛА в требуемые точки с заданными географическими координатами.

5. На основе предложенного метода простейших кинематических связей разработан полный набор функциональных моделей оперативной цифровой обработки в рамках комплекса управления и всего спектра средств вооружения для оснащения боевых Л А, начиная от организации перехвата подвижных целей и кончая применением стрелкового оружия для поражения неподвижных наземных целей. При этом предполагается модульная организация трактов информационного обеспечения этих комплексов.

6. Одним из главных результатов разработки матричного алгоритмического обеспечения является оценка объема вычислений, систематизированного по видам математических операций, а в рамках такой систематизации -значительное перераспределение объема цифровой обработки внутри цикла за счет аппаратной реализации распараллеливания операций над матрицами.

7. На основе предложенной концепции организации вычислительного процесса и мультимикропроцессорного БВК предложен и разработан метод предварительной (па этапе разработки алгоритмического обеспечения) оценки требований по производительности компонент БВК в различных режимах работы. Предварительная оценка производительности формируется в зависимости от требуемых объема вычислений, скорости формирования выходной информации и сложности реализации различных типов используемых математических операций и функционалов, а также системных издержек на управление аппаратными средствами и обмена информацией в процессе вычислений. Предложенный метод позволяет предварительно, на этапах системотехнического проектирования производить сравнительный анализ потенциальных возможностей аппаратных средств основных компонент БВК.

-21!. В результате проведенного комплексного исследования реализуемости алгоритмов цифровой обработки, предложенных в работе, достигнута многокритериальная оптимизация требований к производительности и коэффициента загрузки основных компонент - модулей ЬВК за счет:

- оптимального перераспределения объемов цифровой обработки по критерию его максимальной переориентации на распараллеливание вычислительного процесса (принятая стратегия совершенствования алгоритмического обеспечения, его перевода на матричный уровень);

- оптимизации сложности цифровой обработки по типам математических операций и функционалов за счет выбора оптимальной архитектуры по критерию минимума загрузки компонент модулей БВК в штатных ситуациях функционирования, а также использование табличных данных памяти БВК при определении значений трансцендентных функций;

-оптимизации скорости цифровой обработки ь реальном масштабе времени по критерию ее минимума на границе области допустимых значений в условиях устойчивости и допустимой динамической точности функционирования бортовых комплексов и режимов управления ЛА; -оптимизации системных издержек по критерию минимума их объема на основе выбора оптимальной архитектуры аппаратных средств компонент- модулей БВК в штатных ситуациях их функционирования.

9. По критерию минимума загру зки компонент многопроцессорного БВК произведена оптимизация архитектуры их аппаратной реализации: загрузка компоненты с оптимальной архитектурой, реализующей распараллеливание вычислительного процесса при выполнении математической операции перемножения матриц, снижается в среднем в 1.8 -г 2 раза по сравнению с оптимальным прототипом, реализующим последовательный способ цифровой обработки.

10.Произведено обоснование реализуемости разработанного в диссертации матричного алгоритмического обеспечения для наиболее тяжелых нештатных ситуаций перераспределения функциональной нагрузки между компонентами - модулями ВПК. Организация процесса цифровой обработки на базе компонент БВК с оптимальной архитектурой, специализированной на параллельную аппаратную реализацию математических операций над матрицами, позволяет успешно реализовать вычислительный процесс в масштабе реального времени при значительном (на 30%) снижении быстродействия элементной базы относительно принятой (107кор. циклов / сек) для отечественных ЭВС, специализированных для работы в условиях борта современных ЛА.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Волков А.Н. Волков H.H. Обоснование возможностей реализации управляющих алгоритмов в бортовых ЭВМ. II Междунар. Аэрокосм, коигр. JAC'97 М, сент. 1997 сб. докл., с. 135-138.

-222. Волков A.M. Волков H.H. Матричный метод стандартных кинематических связей при разработке алгоритмов управления в системах угловой ориентации II Междунар. Аэрокосм, конгр. IAC'97 М., сент. 1997 сб. докл., с. 193-196.

3. Волков А.Н. Алексеева Е.Д. Комплекс математического моделирования кинематики промышленных роботов XXIV Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ М., анр. 1998 Тез. докл. с. 51 - 52.

4. Волков А.Н. Матричный алгоритм определения географического курса го показаниям гирокомпаса XXIV Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ М., апр. 1998 Тез. докл. с. 47 - 48

5. Волков А.Н. Матричный алгоритм определения параметров начальной установки устройств гирокомплекса ЛА в процессе предполетной подготовки XXIV Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ М„ апр. 1998 Тез. докл. с. 55 - 56

6. Волков А.Н. Матричный метод построения кинематических моделей функционирования системы угловой ориентации XXIV Гагаринские чте ния. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ М., апр. 1998 Тез. докл. с. 58 - 59

7. Волков А.Н. Оценка вычислительных возможностей управляющей ЭВМ, ориентированной Fia цифровую обработку в системах угловой ориентации XXIV Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ М., апр. 1998 Тез. докл. с. 62 - 63

8. Волков А.Н. Волков H.H. Комплекс математического моделирования кинематики промышленных роботов Сборник научных трудов Вып. 1 (73), МАТИ-РГТУ, M., 1998 с. 149-153

9. Волков А.Н., Глудкии О.П., Волков H.H. Организация бинокулярной системы технического зрения для измерения угловой ориентации объекта исследования Сборник научных трудов Вып. I (73), МАТИ-РГТУ. М., 1998 с. 153-158

Ю.Волков А.Н., Волков H.H. Матричный метод стандартных кинематических связей для решения задач сферической тригонометрии и угловой ориентации ВИНИТИ, № 2406 - В98 M., 1998

11.Волков А.Н. Алгоритмы начальной установки и перенастройки гироуст-ройств пилотажной системы ЛА ВИНИТИ, № 2410 - В98 М., 1998

12.Волков А.Н. Алгоритмы цифровой обработки и управления при организации режимов автопилотирования летательных аппаратов ВИНИТИ, № 2411 -В98М., 1998

I З.Волков А.Н. Пескова С. А. Алгоритмы цифровой обработки для компенсации погрешностей формирования информации датчиками пилотажной системы летательного аппарата ВИНИТИ, № 2412 - В98 М., 1998

Н.Волков А.Н. Применение алгоритмов цифровой обработки для повышения эффективности функционирования бортовых гирокомплексов и автопило

roii 111 Международная НТК «Электромеханика и хчектротехнологии» 1СГТ-:-98 M., 1998 Тег докл. с. 59