Концептуальные подходы к построению стендовых комплексов интеграции бортового оборудования беспилотных летательных аппаратов

ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ПРИБОРЫ

УДК 629.735

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ СТЕНДОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ИНТЕГРАЦИИ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

И.Ю. Касьянов, Д.М. Дрягин, С.П. Гулевич

Рассмотрены концептуальные подходы к построению стендовых комплексов интеграции бортового оборудования беспилотных летательных аппаратов.

Ключевые слова: беспилотный авиационный комплекс, беспилотный летательный аппарат, универсальный моделирующий комплекс.

Разработка сложных авиационных систем сопряжена с большими техническими и финансовыми рисками, вызванными особенностями их проектирования, изготовления и испытаний. Беспилотные авиационные комплексы (БАК), объединяющие несколько беспилотных летательных аппаратов и наземные станции управления, являются ярким образцом подобного рода систем.

Ядром любого БАК является комплекс электронного оборудования. Сам комплекс электронного оборудования, и, часто, многие из его компонентов разделяются на более простые составные части, взаимодействующие друг с другом и обеспечивающие выполнение общей задачи БАК. Высокая степень миниатюризации и рост вычислительных ресурсов аппаратуры провоцирует взрывное нарастание функциональной наполненности комплексов. Организация взаимодействия составных частей комплекса друг с другом требует глубокой проработки интерфейсов, включая информационное содержание и пропускную способность в единицу времени. Рост сложности решаемых задач, их взаимной зависимости приводит к росту вероятности состояния неопределённости в процессе разработки и испытаний комплексов оборудования, вызванного недостатками сформулированных требований на этапе постановки задачи. Кроме того, сложность решаемых задач вынуждает привлекать узкоспециализированные

99

предприятия, что приводит к дополнительным трудностям управления требованиями и решения задач интеграции составных частей комплекса в целом. В этих условиях невозможно избежать проблем с полным, однозначным, непротиворечивым описанием и пониманием требований, необходимых для реализации проекта и, как следствие, возникновения ошибок функционирования и взаимодействия составных частей комплекса оборудования. При этом возможность проверить соответствие характеристик создаваемого комплекса требованиям технического задания (ТЗ), отработать взаимодействие и сопряжение компонентов комплекса, создаваемых в разных организациях, появляется лишь на поздних этапах разработки, где проводят опытные испытания образцов.

1. Методы моделирования сложных комплексов оборудования

В настоящее время наиболее эффективным способом снижения

рисков ошибок проектирования является поэтапное проведение моделирования технических решений, реализуемых комплексом оборудования:

- проектное математическое моделирование, на котором проверяются архитектурные решения комплекса, связанные с обеспечением заданных требований по надежности и безопасности, оценка принципов информационного обмена, распределения задач управления, прогнозирование потребных вычислительных ресурсов, временных циклов и т.п., формирование требований высокого уровня к компонентам комплекса оборудования;

- информационное и функциональное математическое моделирование, включая реализацию функций интерфейсов между их компонентами, оценка точности управления;

- интеграционное полунатурное моделирование, в том числе проверка соответствия характеристик создаваемого комплекса заданным требованиям, сопровождающее полунатурное моделирование для поддержки летных испытаний и эксплуатации БАК.

2. Цели развития моделирующей стендовой базы

В условиях всевозрастающей жесткой конкуренции разработчиков БАК возникает необходимость опережающего создания научно-технического задела в области моделирующей стендовой базы и отработки комплекса оборудования. Составными частями успеха являются быстрота достижения цели и меньшая стоимость продукции. Наибольший эффект может быть достигнут путем применения унифицированных решений в нескольких проектах БАК.

Однако создание полнофункциональных моделей составных частей комплексов выглядит не менее затратным и трудоемким процессом, чем создание реальных компонентов, тем более, что для этих целей должны быть задействованы ресурсы тех же организаций. Очевидно, что привлечение других - сторонних организаций приведет, как минимум, к возрастанию цены проекта в несколько раз. Таким образом, наиболее выгодным

является компромиссное решение, в котором математическое моделирование проводится с использованием простых формализованных описаний составных частей комплекса оборудования, достаточных для оценки полноты, однозначности и непротиворечивости требований высокого уровня, а основные усилия должны быть направлены на проведение полунатурного моделирования. В качестве основы для создания таких моделей могут быть протоколы информационного взаимодействия, предварительные требования к интерфейсам с оператором, логики применения и т.п. документы, создаваемые на начальных стадиях проектирования. Тем не менее, для основных систем или функций комплекса оборудования, таких как навигационная система или система управления объектом, лучшим решением будет создание математической модели системы или функции на основе встроенного программного обеспечения, предназначенного для размещаемого в аппаратном вычислительном устройстве комплекса.

Достижение заявленных целей возможно путем создания универсального моделирующего комплекса (УМК), предназначенного для проведения комплекса интеграционных работ на всех перечисленных ранее этапах моделирования технических решений. Основная идея УМК схожа с [1]. Сначала создается программно-аппаратный комплекс (стенд), который должен обеспечить с помощью методов имитационного моделирования отработку функционирования комплекса оборудования и отдельных его компонентов. Затем, по мере отработки функционирования компонентов комплекса оборудования и их реализации в виде натурных образцов, элементы стенда заменяют соответствующими натурными образцами, без изменения других элементов стенда.

3. Структура и базовый состав УМК

Центральным звеном УМК является вычислительное ядро, собранное на нескольких 1ВМ-совместимых компьютерах, оснащенных операционной системой Ав1таЬтих. В задачу ядра входят:

- управление экспериментом;

- конфигурирование рабочего пространства;

- реализация динамической модели объекта управления;

- реализация имитационных математических моделей компонентов комплекса оборудования;

- создание эффекта визуализации эксперимента в реальном масштабе времени;

- документирование и подготовка отчетов по результатам экспериментальных работ;

- размещение и управление программно-аппаратными интерфейсными устройствами, обеспечивающими преобразование сигналов математических моделей компонентов оборудования в сигналы стандартного интерфейса, определенного протоколами информационного взаимодействия.

Структурно-функциональная схема УМК приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурно-функциональная схема УМК

Все компоненты вычислительного ядра объединены в высокоскоростную сеть, что позволяет создать единое информационное пространство и обеспечить централизованное управление экспериментом и самими компонентами.

К вычислительному ядру могут быть подключены реальные компоненты комплекса БЛА: наземные пункты управления, бортовое оборудование, вспомогательные и технологические системы и приборы.

Вычислительное ядро УМК представляет собой программно-аппаратный комплекс схожий по структуре с описанным в [4], состоящий из настольных и промышленных компьютеров и устройств сопряжения. Устройства сопряжения включают контроллеры каналов обмена информацией в стандартах авиационного применения, таких как ARINC-429, ГОСТ Р 52070-2003, Я^-422/232, ARINC-646, аналоговых сигналов и разовых команд. Контроллеры каналов обмена информацией осуществляют преобразование сигналов интерфейса компьютера в сигналы имитируемых параметров информационных систем в бортовую аппаратуру и в обратную сторону выходных управляющих сигналов из бортовой аппаратуры для передачи в моделирующие программы.

Имитаторы наземного пункта управления обеспечивают основные информационно-управляющие поля эргатической системы «внешний экипаж (операторы) - БЛА - воздушная среда - бортовое оборудование». Структура вычислительного ядра приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структура вычислительного ядра УМК

Имитационная модель летательного аппарата, реализованная программными средствами, обеспечивает воспроизведение динамики и кинематики движения БЛА, параметров работы силовой установки на всех этапах полета. Кроме того, модель летательного аппарата осуществляет моделирование («подыгрывание») информационных потоков, имеющих место в реальной аппаратуре, а на стенде поступающих с моделей информационно-измерительных систем в реальные бортовые системы управления.

Математическая модель динамики движения, реализуемая вычислительным ядром стенда, должна обеспечивать воспроизводство пилотажных и навигационных процессов движения БЛА максимально приближенных по своим характеристикам к реальному объекту.

При моделировании пилотажных процессов, особенно на таких ответственных этапах полета, как взлет, заход на посадку, посадка и пробег, основным требованием является точность воспроизведения аэродинамических характеристик БЛА, высотно-скоростных, дроссельных и динамиче-

103

ских характеристик силовой установки во всех диапазонах высот и скоростей полета. Необходим также учет переменной механизации крыла, выпуска и уборки шасси, влияния приземного слоя на аэродинамические характеристики, взаимодействия шасси с поверхностью ВПП и т.д. Помимо динамики движения БЛА необходим также учет характеристик приводов аэродинамических поверхностей, в том числе влияние шарнирных моментов, механических люфтов и т.п. Возмущения атмосферы учитываются в виде турбулентности, а на взлетных и посадочных режимах моделируется градиентный ветер.

В навигационных исследованиях осуществляется моделирование многочасовых полетов по маршрутам большой протяженности во всех регионах земного шара. С этой целью в модель динамики движения объекта вводится учет эллипсоидальности Земли и ее вращения. Ветровые возмущения атмосферы дополняются моделированием струйных течений.

Математическая модель динамики движения может обеспечивать проведение экспериментов как с постоянной, заранее определенной, массой БЛА, так и изменяемой вследствие расхода топлива, и изменения состояния целевой нагрузки.

Модели информационно-измерительных систем (датчиков) устанавливают функциональные зависимости их выходных данных от параметров имитируемого полета, формируемых в Модели динамики движения. При этом физические процессы, на которых основан принцип действия того или иного измерительного устройства, отражаются в модели только в том случае, если они каким-либо образом учитываются в алгоритмах обработки информации от данного измерительного устройства, реализованных в системах управления.

Выходной интерфейс модели каждой информационной системы идентичен выходному интерфейсу соответствующей реальной системы или датчика. Реакция модели информационной системы на работу оператора БЛА (например, системы измерения воздушно-скоростных параметров) соответствует реакции реальных измерительных систем на аналогичные команды, когда такие связи предусмотрены в реальном бортовом оборудовании. Модель информационной системы учитывает динамические характеристики датчиков - инерционность, нелинейность, дискретность и т. п.

Поскольку на точность процессов самолетовождения существенное влияние оказывают точности измерений отдельных навигационных параметров, модели датчиков обеспечивают моделирование ошибок (погрешностей) измерителей.

Необходимость проведения на стенде исследований на отказобезопасность БЛА определяет реализацию многоканальности информационных систем (датчиков) и наличие специального программного аппарата введения отказов по признакам состояния измеряемых параметров (матрице со-

стояния, бит исправности), а также возможность моделирования динамического рассогласования измеряемых параметров в случае резервирования измерительных систем, нарушения корреляции связанных параметров (например, составляющих путевой скоростей и скорости изменения координат).

Модели систем управления реализуют основные функциональные алгоритмы натурных систем. Использование этих моделей позволяет оценить базовые технические решения на этапах формирования требований и до появления опытных образцов. Применение в математических моделях систем управления компонентов программного обеспечения, полностью повторяющего встроенное ПО, повышает достоверность полученных результатов.

4. Функциональные возможности УМК

УМК в предлагаемом составе и конфигурации позволяет обеспечить проверку правильности технических решений и оценку методов решения задач комплекса, включая интерфейс человек-машина, процедуры технического обслуживания и предполетной подготовки.

Использование универсальных вычислительных средств позволяет создавать имитационные модели любых компонентов комплекса БЛА, постепенно заменяя их реальными изделиями по мере завершения этапов работ.

Для подключения реального бортового оборудования применяется коммутационное устройство. На начальном этапе коммутационное устройство представляет собой панель с локальными электромеханическими переключателями с ручным управлением и контрольными гнёздами для подключения диагностического и контрольно-поверочного оборудования (осциллограф, электротехнический тестер, логический тестер и т.п.). По мере развития стендовой базы коммутационная панель с ручным управлением может быть заменена на дистанционно управляемое устройство, позволяющее дополнительно автоматизировать управление экспериментом, в том числе реализовать возможность имитации некоторых короткоперио-дических видов отказов и сбоев в работе оборудования.

Замена имитационных моделей оборудования натурными образцами обеспечивается программно-аппаратными средствами с помощью кабельной сети и коммутационного оборудования УМК. Конфигурация рабочего пространства определяется с помощью специальных файлов настроек, содержащих различные варианты конфигурации. Создание, использование и модификация файлов настроек обеспечивается из меню управления экспериментом, что позволяет накапливать варианты конфигурации и гибко реагировать на комплектность бортового оборудования и задачи текущего эксперимента.

Важным аспектом применения УМК является сопровождение испытаний и последующей эксплуатации БАК. По мере выявления и устранения основных недостатков и несоответствий БАК заданным требовани-

105

ям сложность поиска причин ненормальной работы БАК возрастает. Наибольшую проблему вызывает анализ ненормальной работы в редко случающихся и ранее неоцененных сочетаниях внешних событий. Для этих целей программными средствами УМК предусмотрено воспроизведение полета объекта с имитацией сигналов датчиков по данным реального полета, введенных в модель объекта с носителя наземного или бортового регистратора полетной информации. Результаты работы имитационных моделей или натурных систем комплекса, установленных на стенде, сопоставляются с записями реального полета и документируются. Средства обработки информации обеспечивают регистрацию, и вывод результатов сопоставления данных в режиме реального времени и постобработки на экран монитора управления экспериментом или на бумажный носитель.

5. Пути унификации УМК для применения в различных проектах

Создание моделирующего комплекса является сложной и дорогостоящей задачей. Нередко затраты на создание подобных стендовых комплексов сопоставимы с затратами по изготовлению основного изделия. Однако вероятные потери от последствий ошибок проектирования, сложных и продолжительных натурных испытаний превосходят вложения в стендовую базу.

Тем не менее, при долгосрочном планировании научно-технического развития предприятия с учетом стратегических целей в сфере беспилотных систем актуальными являются задачи оптимизации затрат на создание моделирующих стендовых комплексов каждого из вновь разворачиваемых проектов, использование и развитие лучших технических решений, текущих или завершённых проектов, выработка типовых подходов и устойчивых навыков в постановке целей и организации процессов разработки моделирующих комплексов.

Анализ подходов к созданию моделирующих комплексов различных предприятий [1, 2, 4] позволяет выделить несколько компонентов стендов, позволяющих обеспечить повторное применение готовых технических решений и возможность наименее затратной модификации при моральном старении, прекращении технической поддержки или прекращении производства покупных компонентов. К таким компонентам относятся универсальные вычислительные машины и сетевые интерфейсы.

Наибольшей скорости морального старения и потери возможности развития подвержены универсальные вычислительные машины, являющиеся основой любого современного стендового комплекса. Эти технические средства представляют собой совокупность аппаратуры и операционной системы, в которых размещаются и функционируют пользовательские аппаратные и программные компоненты, реализующие целевые функции. Очень часто к началу нового проекта происходит смена поколений универсальных вычислительных машин. При этом, как правило, обеспечивается преемственность аппаратных и программных интерфейсов, позво-

ляющих сохранить использование ранее разработанных специальных компонентов на модифицированной вычислительной платформе. Однако, для поддержки совместимости компонентов на длительном промежутке времени необходимо с осторожностью подходить к использованию нестан-дартизованных решений в управлении специальными компонентами, например, электрических интерфейсов и программных драйверов.

Наилучшим решением для объединения вычислительных ресурсов и управления ими в настоящее время является применение высокоскоростных компьютерных сетей. Такой поход позволяет обеспечить относительно простое подключение к вычислительным ресурсам стенда дополнительных или специальных компонентов - различного рода преобразователей, электронных дистанционно управляемых коммутационных элементов, устройств сопряжения с натурным оборудованием и т.п. Оценка развития сетевых технологий позволяет рассчитывать на длительный период сохранения совместимости базовых интерфейсов различных устройств, соединённых в компьютерную сеть, что обеспечивает возможность многократного воспроизводства и, при необходимости, повторного использования наиболее дорогостоящих коммерческих или специальных ранее разработанных компонентов стендового комплекса.

Не меньший интерес для унификации представляют программные решения, в первую очередь имеющие универсальное применение - визуализация эксперимента, принципиальные базовые решения управления экспериментом, настройки устройств сопряжения, программные средства обработки результатов эксперимента и т.п. Возможность применения этих программных решений в различных проектах обеспечивается путем внедрения конфигурационных настроек, позволяющих определить специфические характеристики информационной среды каждого проекта в отдельности. Это могут быть указатели на различные картографические компоненты для средств визуализации, базы данных и массивы характеристик информационного обмена, тарировочные данные и т.п.

6. Готовность УМК к модернизации

Жизненный цикл основного изделия, включающий этапы разработки, испытаний и эксплуатации продолжается от нескольких лет до нескольких десятилетий. В течение этого периода основное изделие, как правило, претерпевает несколько модернизаций, каждая из которых требует проведение серии дополнительных испытаний, подтверждающих эффективность и качество выполненных работ. Сопровождение этих работ необходимо поддерживать стенд в исправном состоянии, а также обеспечивать необходимые изменения в его аппаратуре и программном обеспечении в случае модернизации основного изделия.

Поддержка исправного состояния стендового комплекса обеспечивается путем ремонта или замены на исправные комплектующих изделий. Ожидаемая продолжительность жизненного цикла превышает периоды

смены поколений универсальных вычислительных машин в несколько раз, кроме того, предприятия производители отдельных компонентов стенда могут менять профиль, отказываться от производства компонентов, ликвидироваться. Снижение негативных последствий указанных рисков обеспечивается в первую очередь применением изделий массового производства со стандартизованными техническими характеристиками.

УМК опирается на стандартизованные технические решения, позволяющие осуществить модернизацию основных компонентов без потери функциональных возможностей в течение всего жизненного цикла основного изделия.

Заключение

Описанный в данной статье УМК позволяет повысить качество проектирования сложных комплексов бортового оборудования за счет проведения экспериментальных работ по комплексированию на всех стадиях жизненного цикла основного изделия, начиная с этапов разработки технических требований на составные части основного изделия.

Список литературы

1. Грибов Д.И., Смелянский Р.Л. Комплексное моделирование бортового оборудования летательного аппарата // Методы и средства обработки информации: труды Второй Всероссийской научной конференции. М.: Издательский отдел факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005. С. 59-74.

2. Матвеев А.В., Махуков А. А. Сопровождающее моделирование в процессе лётных испытаний беспилотных летательных аппаратов. М.: Электронный журнал «Труды МАИ». Вып. 45. 2011.

3. Кузнецов А.Г., Невская И.Р., Касьянов И.Ю. Задачи и структура многофункционального стенда интеграции пилотажно-навигационного оборудования // Научный вестник МГТУ ГА. Вып. 148. Серия «Авиационные электросистемы и авионика». 2009.

4. Многофункциональный демонстрационно-исследовательский стенд комплексирования пилотажно-навигационного оборудования / А.Г. Кузнецов [и др.] // М.: Труды МИЭА. Вып. 3. 2011.

Касьянов Иван Юрьевич, заместитель главного конструктора, Ivan.Kasyanov@kronshtadt.ru, Россия, Москва, АО КТ- Беспилотные системы,

Дрягин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, генеральный директор, Dmi-try.Dryagin@,kronshtadt. ru, Россия, Москва, АО КТ - Беспилотные системы,

Гулевич Сергей Петрович, д-р техн. наук, проф. заместитель главного конструктора, Sergey.Gulevichakronshtadt.ru, Россия, Москва, АО КТ - Беспилотные системы

CONCEPTUAL APPROACH TO CONSTRUCTION OF TEST FACILITIES

INTEGRATION IN ON-BOARD EQUIPMENT OF UNMANNED AIRCRAFT

I. Y. Kasyanov, D.M. D^aqin, S.P. Gulevich

The article contains the conceptual approaches of stand construction of integration on-board equipment of unmanned aerial vehicles.

Key words: unmanned aircraft complex, unmanned aerial vehicle, universal modeling complex.

Kasyanov Ivan Yurievich, Deputy Chief Designer, Ivan.Kasyanov@kronshtadt. ru, Russia, Moscow, JSC CT - Unmanned Systems,

Dryagin Dmitry Mikhailovich, candidate of technical sciences, general director, Dmi-try.Dryagin@,kronshtadt. ru, Russia, Moscow, JSC CT - Unmanned Systems,

Gulevich Sergey Petrovich, doctor of technical sciences, professor. deputy chief constructor, Sergey. Gulevich@,kronshtadt. ru, Russia, Moscow, JSC CT - Unmanned Systems

УДК 629.135.2.001.4

УТОЧНЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ЭТАПАХ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

С.П. Гулевич, Д.М. Дрягин, А.П. Суворов

Рассмотрены вопросы уточнение аэродинамических характеристик беспилотных летательных аппаратов на этапах летных испытаний.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, коэффициенты аэро-димаческих сил и моментов, коэффициент лобового сопротивления, коэффициент подъемной силы.

Характеристики беспилотных летательных аппаратов (БЛА), определяющие их технические возможности по выполнению полета на заданную дальность, в значительной степени определяются его аэродинамическими характеристиками.

Коэффициенты аэродинамических сил и моментов зависят от геометрических параметров БЛА (стреловидности, толщины профиля крыла, удлинения), критериев подобия воздушного потока М и Яе (где Яе - число Рейнольдса), а также от отклонений элевонов 5э и руля направления 5н (в работе рассматриваются беспилотные летательные аппараты аэродинамической схемы «бесхвостка»).