Программное обеспечение определения потребных нарядов ударных беспилотных летательных аппаратов малого класса для поражения наземных целей

В последние годы появилось новое средство вооружения - ударные беспилотные летатель­ные аппараты малого класса (БПЛА МК) [1-5], взлетная масса которых менее 30 кг. Преи­муществами использования данных БПЛА являются низкие затраты на изготовление, невысокие требования к уровню подготовки операторов управления БПЛА, а также низкая уязвимость к средствам противовоздушной обороны противника вследствие малой замет­ности в различных диапазонах длин волн [6].

В то же время экспериментально дока­зана возможность высокоточного применения макетов средств поражения (СП) с БПЛА МК на расстоянии от места взлета до 300 км [7]. При этом СП для БПЛА МК являются сво­боднопадающие неуправляемые контейнеры (СНК), снаряжаемые боеприпасами ударного и дистанционного действия [8, 9], которые мож­но выделить в новый класс в общей номенкла­туре авиационных средств поражения (АСП).

Учитывая дальность управления и точ­ность сброса, БПЛА МК можно применять совместно с пилотируемой авиацией для ре­шения ударных задач в оперативной и опера­тивно-тактической глубине [10]. Это позволяет обоснованно утверждать, что отечественные БПЛА МК являются ударным средством, спо­собным наносить ущерб наземным объектам. Таким образом, возникает интерес определе­ния необходимого количества БПЛА МК и СНК (потребных нарядов) при планировании нанесения удара по наземным объектам.

В пилотируемой авиации в основе ма­тематического аппарата [11] определения по­требных нарядов самолетов и АСП лежит знание о закономерностях рассеивания АСП: известные значения среднего квадратическо­го отклонения (СКО), вероятного отклонения (ВО) АСП, а также математического ожида­ния (центра рассеивания АСП) [12]. При этом численные значения СКО определяются в со­ответствующих научных и исследовательских организациях путем статистической обработки ежегодно поступающих из авиационных ча­стей данных о результатах боевого применения АСП при выполнении учебно-тренировочных полетов. Очевидно, что и для ударной беспи­лотной авиации необходимо выполнять такие же мероприятия по определению закономерно­стей рассеивания и вычисления систематиче­ской ошибки сброса (ошибки бомбометания) и параметров рассеивания АСП. Однако высокая интенсивность полетов и большее количество, по сравнению с пилотируемой авиацией, ударных БПЛА МК накладывает определенные ограничения при определении ошибки бом­бометания БПЛА МК новых серий. В связи с этим для сокращения времени обработки ре­зультатов и определения параметров рассеива­ния СНК данные мероприятия актуально вы­полнять непосредственно в полевых условиях.

Для определения систематической ошиб­ки сброса требуются анализ и обработка боль­ших массивов полетных данных и результатов применения СНК, что приводит к существен­ным временным затратам и дополнительной нагрузке на должностных лиц и личный состав расчетов наземных пунктов управления форми­рований БПЛА. Повышение скорости обработ­ки статистических данных применения СНК и определения потребных нарядов достигается за счет автоматизации данного процесса.

В пилотируемой авиации средствами ав­томатизации обработки полигонных данных и определения потребных нарядов является специальное программное обеспечение (СПО): СПО «Планшет полигона» [13]; наземный ав­томатизированный комплекс подготовки по­летных заданий (НАК ППЗ) [14]; универсаль­ный комплекс автоматизированной подготовки полетных данных (УКА ППД) [15]. По ре­зультатам анализа возможностей указанных СПО можно заключить, что данные средства автоматизации не могут быть использованы в полной мере для обработки статистических данных, определения закономерностей рассеи­вания СНК и систематической ошибки сброса БПЛА МК и оценки эффективности примене­ния СНК при поражении наземных объектов.

Так, например, в основу расчетных ал­горитмов СПО «Планшет полигона» заложен метод триангуляции (способ засечек) [16], ко­торый используется для определения координат точек падения АСП, что существенно облегчает работу группы руководства полетами на авиа­ционном полигоне. В то же время обработать статистические данные и выполнить оценку эф­фективности применения СП (определить веро­ятность поражения наземной цели) с должной оптимизацией не представляется возможным.

В другом средстве автоматизации - НАК ППЗ - реализованы вычислительные алгорит­мы зонной методики [17], которые позволяют оценить эффективность применения любого АСП, имеющегося в номенклатуре пилотиру­емой авиации, по различным группам назем­ных объектов, определяемыми руководящими документами. Недостатком данного комплекса является отсутствие возможности обработки статистических данных результатов боевого применения АСП для определения их законо­мерностей и параметров рассеивания.

Следующим средством автоматизации, поступающим на снабжение в авиационные части, является УКА ППД. По сути, это слож­ная информационная система, для управления которой требуются операторы-пользователи из состава должностных лиц штурманской служ­бы высокого профессионального уровня под­готовки. УКА ППД позволяет обрабатывать статистические данные результатов боевого применения и определять параметры рассе­ивания АСП. Кроме того, с помощью УКА ППД можно выполнить оценку эффективности применения АСП при поражении одиночных, групповых и площадных наземных объектов, определить необходимое количество АСП, а также выбрать рациональный состав боевой зарядки и тип АСП. Однако использование УКА ППД для оценки эффективности при­менения БПЛА МК и СНК не представляет­ся возможным, так как в расчетных алгорит­мах комплекса не интегрированы специальные способы обмера, а также не реализована воз­можность смещения точки прицеливания, тем самым не учитываются особенности средств поражения БПЛА МК, в частности, малый ка­либр и малая мощность.

Следовательно, возникает необходи­мость разработки нового средства автома­тизации, обеспечивающего выявление зако­номерностей рассеивания СНК, вычисления точностных характеристик БПЛА и опреде­ления необходимого количества БПЛА и СНК при планировании мероприятий по поражению наземных объектов.

Цель работы - разработка специального программного обеспечения определения по­требных нарядов ударных БПЛА МК для по­ражения наземных целей, учитывающего осо­бенности применяемых авиационных средств поражения.

Для достижения поставленной цели раз­работано СПО «Система поддержки принятия решений ударных беспилотных летательных аппаратов (СППР УБПЛА) «Пересвет» [18], позволяющее решать следующие задачи:

• осуществление учета, обработки, хра­нения и графического отображения статисти­ческих полигонных данных результатов приме­нения СНК с БПЛА МК в различных условиях сброса (параметров полета БПЛА), формиро­вание базы данных результатов сброса;
• автоматизированное определение си­стематической ошибки сброса серийного БПЛА МК (параметров рассеивания СНК) методами математической статистики. Фор­мирование базы данных точностных характе­ристик БПЛА МК;
• определение рационального положения точки прицеливания БПЛА МК для повыше­ния вероятности попадания СНК в различных условиях сброса в наземную цель, заложенную в базу данных СПО;
• автоматизированное определение не­обходимого количества ударных БПЛА МК и СНК для поражения наземной цели с заданной вероятностью на основе нового научно-мето­дического аппарата;
• автоматизированное формирование формализованной документации учета резуль­татов сброса СНК с БПЛА МК.

Стоит отметить, что идея разработки СПО «Пересвет» возникла во время прове­дения экспериментальных исследований по сбросу габаритно-массовых макетов (ГММ) СНК с БПЛА МК [7, 19]. На рис. 1 показан процесс определения радиального отклонения точки падения ГММ СНК во время проведения экспериментальных исследований способом обмера. Для определения координат точек па­дения ГММ СНК использованы способы обме­ра мерной лентой (см. рис. 1, а) и дальномер- ной рейкой (см. рис. 1, б) [16].

Однако в преддверии подготовки к за­водским испытаниям ударных БПЛА МК по оценке точности, предполагавшим набор до­статочного объема статистических данных о рассеивании макетов средств поражений, ста­ло очевидно следующее. Во-первых, использо­вание мерных лент приведет к неприемлемым временным затратам проводимых измерений в условиях высокой интенсивности полетов. Во-вторых, сильно растянутые по времени ис­пытания неизбежно сопровождались бы суще­ственными изменениями погодных условий, что привело бы к снижению достоверности экс­периментально определяемых закономерностей и параметров рассеивания. Отметим, что все расчеты по преобразованию полярных коорди­нат точек падения ГММ СНК в прямоугольные выполнены вручную, результаты отображены на миллиметровой бумаге (см. рис. 1, в).

Данные факторы показали необходи­мость разработки новых способов определения координат точек падения ГММ СНК, сущность которых раскрыта в работе [20]. Оба разрабо­танных способа основаны на методе прямых и косвенных измерений с использованием све- тодальномерных измерительных устройств с зондирующим лазерным сигналом [21]. Так, в способе № 1 в центре мишени устанавлива­ется это устройство, а в точку падения ГММ СНК - светоотражатель. Определяется азимут (А_тп) и дальность (Д_тп) до точки падения ГММ СНК. На рис. 2 показана реализация предло­женного способа измерения координат точки падения СНК в ходе практических испытаний ударных БПЛА МК.

Сущность способа № 2 заключается в установке измерительного устройства за пре­делами мишени. Измеряются азимут (А_м) и дальность (Д_м) до центра мишени. В каждую точку падения ГММ СНК устанавливается светоотражатель и измеряется азимут (Атп) и дальность (Д_тп) точки падения ГММ СНК. Да­лее с помощью тригонометрических выраже­ний происходит вычисление азимута и радиа­льного отклонения точки падения ГММ СНК относительно центра мишени. Выбор способа зависит от интенсивности сброса СНК (малая или большая серия испытаний).

Предложенные новые способы определе­ния координат точек падения СНК были инте­грированы в СПО «Пересвет». Кроме того, для оценки эффективности применения БПЛА МК с учетом специфики СНК было необходимо разработать новый научно-методический ап­парат [22], который и является основой работы расчетных модулей данного средства автомати­зации. В частности, алгоритм работы СПО «Пе- ресвет» (рис. 3) позволяет определить вероят­ность попадания СНК в цель (P_i) в зависимости от положения точки прицеливания (координаты X_i, Z_i). При этом задается диапазон координат смещения точки прицеливания по осям:

х_н.. .х_к - начальное и конечное положение точки прицеливания по дальности;

z_н. .z_к - начальное и конечное положение точки прицеливания по направлению.

Затем выбирается шаг смещения поло­жения точки прицеливания по дальности и направлению (Δx, Δz), определяется начальное положение точки прицеливания и вычисляется вероятность попадания СНК в цель (P_i). Полу­ченные результаты заносятся в базу данных СПО, в которой сохраняются все значения ве­роятности попадания при определенных коор­динатах положения точки прицеливания (X_i, Z_i).

Впоследствии положение точки прицели­вания смещается по дальности и по направле­нию на значение выбранного шага смещения (Δx, Δz) и цикл повторяется. В итоге работы алгоритма выбирается рациональное положе­ние точки прицеливания по дальности и по направлению, путем сравнения между собой всех вероятностей попадания СНК в цель (P_i) по максимальному числовому значению. Ко­ординаты точки прицеливания, которым соот­ветствует максимальная вероятность попада­ния СНК в цель, и являются рациональными.

Структурно СПО СППР УБПЛА «Пере- свет» включает в себя пять связанных между собой функциональных модулей: модуль вво­да исходных данных; модуль обработки ста­тистических данных сбросов СНК; модуль определения точки прицеливания БПЛА; мо­дуль определения потребных нарядов БПЛА МК и СНК; модуль формирования отчетной документации. Функциональная схема СПО СППР УБПЛА «Пересвет» показана на рис. 4.

Модуль ввода исходных данных запускает начальную фазу работы СПО. Он предназна­чен для формирования БД и последующего ее заполнения исходными данными по БПЛА, СНК, характеристиками мишенного поля, условиям сброса СНК, а также результатами при­менения СНК. В данный модуль интегрирован математический аппарат вновь разработанных способов определения координат точек паде­ния СНК. Графическая часть функционального модуля обеспечивает отображение результатов применения СНК на схеме мишенного поля, ориентированного относительно выбранного начала отсчета (магнитного, истинного мери­диана). Графический интерфейс данного функ­ционального модуля СПО «Пересвет» отобра­жен на рис. 5.

Полученные экспериментальные стати­стические данные результатов применения СНК аккумулируются в БД СПО «Пересвет» и используются в модуле обработки статисти­ческих данных сбросов СНК для определения закономерностей и вычисления параметров рассеивания СНК. Вид закона распределения эмпирических данных о координатах точек падения СНК определяется посредством внешне­го программного средства, в качестве которого в работе на текущем этапе разработки СПО применялся статистический пакет приклад­ных программ Statgraphics Plus 5.0 [23, 24]. Результат обработки данных, полученных в ходе проведения экспериментальных иссле­дований, с помощью программы Statgraphics Plus 5.0 приведен ниже. В дальнейшем в СПО «Пересвет» планируется создать дополнитель­ный функциональный модуль по определению вида распределения, чтобы исключить внеш­ние программные средства. Графический ин­терфейс при работе с функциональным моду­лем обработки статистических данных в СПО «Пересвет» представлен на рис. 6.

Полученные значения параметров рассе­ивания СНК передаются в следующие функ­циональные модули: модуль исходных данных (в БД БПЛА); модуль определения положения точки прицеливания; модуль формирования формализованных документов учета резуль­татов применения СНК.

В модуле определения точки прицелива­ния БПЛА СПО «Пересвет» по выбранной из БД наземной цели осуществляется автоматизированное определение положения точки прице­ливания БПЛА по дальности и направлению с учетом рассчитанных значений параметров рас­сеивания - математического ожидания отклоне­ний точек падения СНК (центра рассеивания) по дальности и направлению (m_x, m_z); среднего ква­дратического отклонения (СКО) точки падения СНК (σ_x, σ_z); вероятного отклонения точки паде­ния СНК (E_x, E_z). В настоящее время БД назем­ных целей включают характеристики типовых легкоуязвимых наземных объектов: самолетов тактической авиации; десантно-транспортных вертолетов; радиолокационных станций (РЛС) наведения, целеуказания и подсвета цели зе­нитно-ракетного комплекса (ЗРК) средней даль­ности (СД); командно-штабных машин; авто­мобильных радиостанций; аппаратной связи. Алгоритм расчета (см. рис. 3, выноска «блока определения рационального положения точки прицеливания по дальности и по направлению» общего алгоритма работы СПО СППР УБПЛА «Пересвет») включает в себя следующие шаги.

1. Задаются границы смещения точки прицеливания по дальности и направлению (x_н…x_к; z_н…z_к).
2. Задается шаг смещения точки прице­ливания (Δx; Δz).
3. Выбирается начальное положение точ­ки прицеливания (x₀ = x_н; z₀ = z_н).
4. Вычисляется вероятность попадания СНК в каждую i-ю уязвимую зону цели (P_i(x)) с помощью выражения

Здесь Ф - функция Лапласа;

x₁, x₂, z₁, z₂ - координаты сторон i-й уяз­вимой зоны;

m_X, m_z - центр рассеивания СНК (матема­тическое ожидание);

σ_x, σ_z - СКО СНК по осям OX и OZ;

X_i, Z_i - координаты точки прицеливания по дальности и по направлению, определяе­мые по формулам

x_i = x₀ + Δx, z_i = z₀ + Δz.                               (2)

где x₀, z₀ - начальное положение точки прице­ливания;

Δx; Δz - величина шага смещения точки прицеливания по дальности и по направлению.

5. Определяется вероятность попадания СНК в цель Р(х) как суммарное значение веро­ятностей попадания СНК во все уязвимые зоны.
6. Значение вероятности из шага 5 зано­сится в БД функционального модуля.
7. Изменяется положение точки прице­ливания на заданный шаг смещения, затем повторяются шаги 1-6.
8. После просчета всех вариантов поло­жения точек прицеливания в функциональном блоке выполняется сравнение вероятностей попадания СНК между собой и определяется максимальное ее значение.
9. Из БД функционального блока выбира­ются координаты точки прицеливания, соответ­ствующие значению максимальной вероятности попадания СНК в цель, т. е. определяется рацио­нальное положение точки прицеливания БПЛА.

На рис. 7 показан графический интерфейс СПО «Пересвет» по определению рациональ­ного положения точки прицеливания БПЛА.

Рациональное положение точки прице­ливания используется в СПО «Пересвет» в модуле определения потребного наряда БПЛА и СНК при решении прямой и обратной зада­чи оценки эффективности применения СНК с БПЛА, с учетом специфики СНК. То есть определения вероятности поражения назем­ной цели одним СНК, одним БПЛА с полным боекомплектом (прямая задачи) и необходи­мого количества БПЛА и СНК для поражения наземной цели с заданной (гарантированной) вероятностью.

Для учета особенностей СП БПЛА, в частности, малой мощности и малого калиб­ра СНК, в вычислительную часть функцио­нального модуля СПО помимо известного вероятностного подхода [25, 26] заложен альтер­нативный вариант определения наносимого ущерба на основе теории рисков [22]. Реали­зация нового подхода достигается путем вы­бора значения «экспериментальный» в поле «закон поражения цели при попадании одного СП» (см. рис. 7, блок 1). При этом в расчетную часть СПО автоматически вводятся обобща­ющие коэффициенты для определения нано­симого ущерба наземной цели. Результаты решения прямой и обратной задачи оценки эф­фективности применения СНК отображаются в данном модуле СПО на информационно-гра­фическом поле (рис. 8, блок 1).

Заключительный этап работы СПО СППР УБПЛА «Пересвет» реализуется с помощью модуля формирования документов. С помо­щью этого модуля можно формировать формализованную отчетную документацию учета результатов применения СНК с ударных БПЛА МК в различных текстовых форматах (файлы с расширениями *.pdf, *.docx) в форме таблицы. Кроме результатов применения СНК в таблице также указываются точностные характеристики БПЛА: систематическая ошибка сброса БПЛА и параметры рассеивания СНК. В качестве приме­ра ниже приведена табл. 1, содержащая резуль­таты экспериментальных сбросов ГММ СНК в ходе заводских испытаний ударного БПЛА МК.

С помощью анализа и обработки полу­ченных экспериментальных данных методами математической статистики [27, 28] в програм­ме Statgraphics Plus 5.0 определяется вид закона распределения точек падения ГММ СНК. В качестве возможных законов распределений использованы распределения Коши, Лапла­са, логистическое, нормальное, равномерное распределения. Эмпирические данные стати­стического ряда были проверены по критерию согласия χ² Пирсона и критерию Колмогорова - Смирнова при уровне значимости α = 0,05. Ре­зультаты проверки представлены в табл. 2, 3.

На рис. 9 приведены гистограмма ча­стот и графики кумулятивных кривых эмпи­рических распределений с наложением на них графиков плотностей и функций проверяемых видов распределений.

В результате исследований определено, что вид распределения координат точек паде­ния СНК наилучшим образом соответствует нормальному закону распределения, поэтому именно он лежит в основе расчетных алго­ритмов функционального модуля обработки статистических данных сбросов СНК. Это по­зволило экспериментально определить закономерности рассеивания ГММ СНК при сбросе с разной высоты. В качестве примера на рис. 10 в виде поверхности плотности распределе­ния приведена закономерность распределения ГММ СНК при сбросе с высоты 300 м.

В аналитическом виде закономерность распределения ГММ СНК выражается функ­цией плотности вероятности двумерной слу­чайной величины:

Заключение

Таким образом, использование разработан­ного СПО «Система поддержки принятия решения ударных беспилотных летательных аппаратов «Пересвет» позволило определить точностные характеристики ударных БПЛА МК, закономерности и параметры рассеива­ния средств поражения за счет интегрирова­ния адаптированных способов обмера. Закономерности распределения СНК позволяют планировать мероприятия по поражению наземных объектов при расчете потребных нарядов. В результате автоматизации измерений за счет СПО удалось сократить время определения закономерностей на 30-40 % по отношению к предыдущим полевым испыта­ниям. Использование личным составом рас­четов наземных пунктов управления БПЛА МК, разработанного СПИР, обеспечит выпол­нение штурманских расчетов при подготовке и планировании боевого применения данных комплексов.