12 июля, 2007

Фундамент управления войсками

В Московском НИИ приборной автоматики (бывшем НИИ-5 Академии Артиллерийских наук) одними из первых работ, связанных с управлением зенитным и артиллерийским огнем, были работы по созданию приборов управления артиллерийским зенитным огнем.

Еще во время Великой Отечественной войны активно велись работы по повышению максимальной эффективности функционирования приборов управления артиллерийским зенитным огнем, задача которых состояла в определении координат точки встречи снаряда с самолетом, т.е. в определении так называемых упрежденных координат.

Упрежденные координаты являются функциями как текущих координат цели, так и скоростей их изменения. Естественно, что точность определения упрежденных координат зависит, в первую очередь, от точности определения в ПУАЗО координат цели и скоростей их изменения.

Вследствие неизбежных ошибок наводки эти параметры не могут быть точно заведены в решающую часть ПУАЗО. Если ошибки в самих координатах достаточно малы, то ошибки в скоростях, полученных в ПУАЗО дифференцированием этих координат по времени, весьма велики и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к точности динамической работы приборов.

Предположим, цель движется прямолинейно и равномерно. Если при этом по одной из полученных координат ошибка будет всего 10 м, то ошибка в скорости изменения этой координаты будет уже 100 м/с. Если полетное время снаряда до цели около 10 сек, то ошибка в упрежденной координате будет равна около 1 км.

Ясно, какое большое значение приобретает вопрос нахождения таких методов построения ПУАЗО, которые бы в достаточной степени уменьшали влияние ошибок наведения на точность определения упрежденных координат.

Впервые для существенного уменьшения подобных ошибок кандидатом технических наук З. М. Бененсоном (сотрудником НИИ-5 ААН) в 1946 г. было предложено использовать счетно-решающий прибор (фактический предшественник ЭВМ).

Именно он сформулировал понятие экстраполяции (т.е. метод решения задачи упреждения путем предварительного определения параметров движения цели). При этом рассматривалась задача при получении информации о цели в пространстве с выхода радиолокатора или стереодальномера. Задача слежения за целью могла быть облегчена и состояла бы в определении разности между истинными координатами цели и экстраполированными значениями.

Детальное исследование возможностей получения максимально точной информации о цели от радиолокатора и создание необходимого для решения всех задач счетно-решающего устройства позволили создать максимально эффективный ПУАЗО для 57-мм орудия. Эти же исследования легли в основу создания систем обработки радиолокационной информации в реальном масштабе времени с жестко регламентированным циклом обработки.

Понятие кибернетики, введенное еще Н. Винером в 1948 г., и позже работы советских ученых в этой области позволили существенно приблизиться к автоматизации процессов обработки информации и, в первую очередь, к автоматизированной обработке радиолокационной информации.

Несмотря на то, что в работах З. М. Бененсона впервые были предложены и практически описаны вопросы применения первых радиолокаторов в ПУАЗО для существенного повышения точности информации о цели, надо отметить, что ПУАЗО - это в основном устройства аналогового типа, в которых применялись кулачковые механизмы. На первый взгляд, при реализации таких устройств об автоматизации процессов управления и обработки в них информации говорить совершенно нецелесообразно.

Однако хочу обратить внимание на одно из положений, которое было высказано А. И. Черепневым в книге "Истоки автоматизации": "Применение кулачков позволило создать автоматы, в которых можно было менять характер движения исполнительного звена благодаря смене кулачков. Последние позволили сравнительно просто осуществлять сложные движения, требующие для своего выполнения устройств со сложной и громоздкой кинематической системой. Кулачковые механизмы стали первым ПРОГРАММИРУЮЩИМ узлом, способным довольно просто, точно и надежно передавать нужную команду исполнительному органу".

Особую роль в развитии подобной техники сыграли приборы управления артиллерийским зенитным огнем. Из имен разработчиков подобных устройств, назову лишь три. С коллективами, возглавляемыми ими, автору статьи посчастливилось работать - С. А. Лебедев, В. С. Семенихин, А. Л. Лившиц.

В 1950 г. в НИИ-5 был впервые создан первый советский следящий гидропривод (ГСП-100), обеспечивающий автоматическое наведение 100-мм зенитных орудий по данным ПУАЗО-7М. Таким образом, первые автоматизированные системы и первые автоматы были созданы еще до интенсивного развития вычислительной техники.

И все-таки расцвет автоматических систем необходимо отнести к периоду, когда появились доступные к применению вычислительные устройства и были проведены теоретические исследования в области цифровых систем.

Существенный вклад в создание цифровых устройств внесли С. А. Лебедев и Я. З. Цыпкин. С. А. Лебедев не только создал целый ряд мощных быстродействующих ЭВМ, но и под его руководством еще в 1956 г. были созданы устройства по автоматическому съему данных радиолокационных станций и специализированные ЭВМ "Диана-1" и "Диана-2".

Принципиальными особенностями этих реализаций были:

- осуществление автоматического съема данных с обзорной РЛС с селекцией объекта от шумов, одновременное сопровождение нескольких целей с построением траектории их движения и наведения самолета на цель;

- преобразование интервалов времени и угловых положений в числовые величины (оцифровка данных).

Один из учеников С. А. Лебедева Хетагуров Я. А. в 1960 г. создал специализированную вычислительную машину (СВМ) "Курс-1" на полупроводниковых элементах (впервые в СССР), предназначенную для первого передвижного автоматизированного радиолокационного узла "Межа", разработанного в 1963 г. Московским НИИ приборной автоматики (бывший НИИ-5) для радиотехнических войск ПВО страны.

В системе была реализована вторичная обработка информации, поступающей в реальном масштабе времени от радиолокаторов. Для повышения надежности и производительности предусматривалась возможность совместной работы двух вычислительных машин "Курс-1", что было тоже пионерским решением. Оно зафиксировано авторским свидетельством.

Хотелось бы обратить внимание на то, что научные исследования и практические работы по созданию автоматизированных территориальных систем противовоздушной обороны реального времени в нашей стране проводились в НИИ-5 Академии артиллерийских наук, начиная с 1947 г.

Первыми были созданы:

- системы и средства наведения истребительной авиации на самолеты противника "Ясень-1", "Ясень-2" (руководители разработок Е. А. Мурзин, М. И. Михайлов, А. Л. Лившиц);

- территориальная система оповещения, управления и наведения истребительной авиации "Воздух-1" (руководитель разработки А. Л. Лившиц).

Системы были приняты на вооружение в 1950 г., 1953 г. и в 1957 г. соответственно. Это направление работ потребовало создания коллективов для научных исследований в области, в первую очередь, обоснования оптимальных методов обработки радиолокационных сигналов в реальном масштабе времени с жестко регламентированным циклом в условиях неполной определенности.

Этими проблемами начали заниматься сразу в нескольких НИИ. Однако следует отдать должное работам, проведенным в 1950-х гг. ХХ-го века в НИИ-5 под руководством З. Н. Бененсона, который сформулировал и обосновал принципы проектирования цифровой обработки радиолокационной информации в реальном времени с учетом специфических прикладных особенностей автоматизированных систем управления (АСУ) ПВО.

Это позволило создать методологию разработки программного обеспечения комплексирования информации от активных и пассивных источников (разноточных и разнодискретных), входящих в состав информационных подсистем различных уровней иерархии командных пунктов.

В ходе разработки АСУ ПВО им была создана научная школа, которая позволила обеспечить дальнейшее развитие информационных подсистем в последующих разработках.

Активную роль на этом этапе сыграли ученые 2-го ЦНИИ Минобороны, непосредственно участвовавшие как в теоретических, так и в практических работах по созданию и оценке характеристик созданных систем (совместно с полигоном Капустин Яр).

В ходе исследований специалистами было уделено много внимания вопросам моделирования и разработки методов создания моделей отдельных радиоэлектронных устройств с целью решения задачи оптимизации этих устройств на ЭВМ.

Управлять войсками можно с помощью телефона и бинокля. Однако это уровень автоматизации времен форсирования Днепра 1943 г.
Фото: Леонид ЯКУТИН

Стоит обратить внимание на некоторые элементы, созданные в 1950-е гг. ХХ-го века, обеспечившие, по крайней мере, рациональный метод съема информации с РЛС. Так, например, в 1955 г. впервые в стране был разработан и применен электронный съем координат с индикатора кругового обзора РЛС дальнего обнаружения - сначала на элементах аналоговой техники, а затем в 1958 г. с использованием ЭВМ, который широко использовался в последующих разработках. Авторы изобретения - В. В. Липаев, В. А. Чичигин, И. А. Дячук, А. Б. Кулаков.

В 1957 г. в НИИ-5 по заказу Минобороны на уровне НИР были широко развернуты работы по исследованию возможностей создания территориальных автоматизированных систем управления на базе цифровой вычислительной техники с использованием ЭВМ. В 1959 г. по заказу Минобороны был разработан комплексный проект АСУ ПВО страны "Электрон", в котором были определены основные элементы (в том числе характеристики комплексов средств автоматизации) территориальной АСУ ПВО страны.

Это командные пункты, радиолокационные узлы различного уровня производительности (по количеству обрабатываемых целей), маловысотные пункты управления, пункты наведения истребителей, пункты управления авиацией, а также были обоснованы основные технические средства: отображения, документирования, связи и т.п. Работы проводились в тесной кооперации как с НИИ Минобороны, с полигонами, так и с предприятиями промышленности (КБ-1, НИИАА, ВНИИРТ и многими другими).

Работы по автоматизации не ограничивались интересами Минобороны (ПВО, ВВС, СВ и др.), но и осуществлялись в интересах Министерства гражданской авиации. Так, в частности, при головной роли МНИИПА был создан районный центр УВД в г. Ростове.

Среди принципиальных вопросов, которые необходимо было решать в ходе создания АСУ реального времени, важным являлся вопрос обеспечения устойчивости функционирования этих систем. Любая АСУ территориальных систем ПВО или УВД по структуре практически во многом должна удовлетворять функциям и характеристикам, которым удовлетворяют самонастраивающиеся или саморегулирующиеся системы.

Особенно важной характеристикой систем является устойчивость, что особенно важно для систем, работающих в условиях неполной определенности об информации о внешних воздействиях. Автоматическая система устойчива тогда и только тогда, когда ее реакция на любое ограниченное внешнее воздействие ограничена. Если же реакция импульсной системы хотя бы на одно ограниченное внешнее воздействие не ограничена, то такая система неустойчива.

Для обеспечения устойчивости при реализации комплексов средств автоматизации разработчики вводят в систему эффективную отрицательную обратную связь, которая уменьшает чувствительность системы к мощным внешним воздействиям.

Одной из реализаций такой отрицательной связи может быть включение в состав системы оператора (или операторов), что уменьшает уровень автоматизации, но улучшает реакцию на внешние воздействия и устойчивость работы системы без потери реального времени обработки.

По результатам комплексного проекта "Электрон" и с учетом обоснований в нем структуры и отдельных элементов АСУ ПВО страны для создания системы в целом была организована кооперация предприятий. Решение общесистемных вопросов было закреплено за МНИИПА. Создание автоматизированных систем для КП тактического уровня, радиотехнических частей и соединений, управление истребительной авиацией и создание АСУ зенитных ракетных бригад и полков также закрепили за МНИИПА.

В это же время КБ Загорского электромеханического завода разработало и организовало серийное производство на Загорском заводе комплекса средств автоматизации "Вектор" (затем "Сенеж"). Многие предприятия были подключены к разработке новых ЭВМ, систем и средств передачи данных реального времени.

Среди них НИИ автоматической аппаратуры (Москва), ОКБ "Пеленг" (Свердловск), Свердловский электромеханический завод, Подольский электромеханический завод, Ленинградское управление проектно-монтажных работ, ПМТ-5, ЦНИИС (Москва), ряд предприятий Зеленограда по электронным составляющим и многие другие предприятия.

Все предприятия работали, профессионально обмениваясь научно-техническими достижениями. Были созданы совместные научно-технические советы и советы главных конструкторов. Существенную роль по объединению научно-технических результатов играли коллегии отдельных Министерств военно-промышленного комплекса или смешанные коллегии Министерств "девятки", а также текущая работа специалистов Военно-промышленной комиссии при Совете Министров СССР.

Результаты работ по созданию автоматизированных систем обработки и управления реального масштаба времени с жестко регламентированным циклом в период с 1960 по 2006 гг. отражены в таблице. В это же время была создана уникальная автоматизированная система ПВО г. Москвы и Центрального промышленного района. Эта система создавалась как очередной этап модернизации системы "Беркут".

Основным назначением этой системы было создание автоматизированной обработки радиолокационной информации и управление тремя кольцами самых современных зенитных ракетных систем.

Вопросами наведения истребительной авиации наш институт начал заниматься задолго до задания комплексного проекта "Электрон". На базе разработанных счетно-решающих приборов управления огнем зенитной и ракетной артиллерии в 1947 г. М. И. Михайловым, А. Л. Лившицем и Е. А. Мурзиным были разработаны первые макеты приборов управления и наведения истребителей-перехватчиков (ИП) "ОПУН" и "ДПУН".

В 1949 г. был разработан и изготовлен опытный образец аппаратуры для оборудования командного пункта (КП) авиасоединения для управления и наведения ИП - "Ясень-1", который был рекомендован для принятия на снабжение ВВС, в 1953 г. - "Ясень-2".

В 1953 г. институту задается работа по созданию территориальной автоматизированной системы оповещения, управления и наведения ИА - "Воздух-1", которая после принятия на вооружение в 1957 г. была запущена в серийное производство. Это была первая автоматизированная система. Она получила хорошие отзывы в войсках и фактически прослужила Советской Армии вплоть до 1980-х гг.

В период 1950-1960 гг. формировался системный подход не только в НИИ промышленности по разработке сложных автоматизированных систем, но и у заказчика. Это было связано с тем, что заказчик был заинтересован в создании обоснованных группировок Войск ПВО, в которых учитывались бы особенности работы средств отдельных родов войск в единых зонах поражения противника.

Особенно важным было обеспечить управление в одной зоне зенитными ракетными войсками и истребительной авиацией. Для этого были проведены научные исследования, в том числе по выбору системы координат для алгоритмов управления в автоматизированных системах управления тактического соединения и на КП управления ЗРВ и авиации.

Наиболее конкретно эти вопросы решены в аванпроекте системы "Луч-1" - комплексной системы автоматизированного управления средствами ПВО страны в тактическом соединении (1959 г.). Особенно полезным для получения положительных результатов в этом проекте было конкретное личное взаимодействие заказчика (и, в частности, таких выдающихся руководителей, как С. С. Бирюзов, Г. Ф. Байдуков, И. А. Шушков) и разработчика (А. Л. Лившиц, З. М. Бененсон, Д. Н. Асмаков, Л. Б. Горощенко, Д. Б. Юдин, А. Н. Коротоношко). Именно в этом взаимодействии оттачивались основы системного подхода и конкретные оперативные и научно-технические решения.

Маршал авиации С. И. Руденко (первый командующий 16-й воздушной армией) говорил: ":мы видели, что следует улучшить управление истребителями в воздухе, чтобы постоянно срывать, ослаблять удары немецкой армии по нашим войскам. Обеспечить непрерывность управления - в этом состояла главная задача". Высказывание относится к 1942 г. По сути, это и есть первая постановка задачи создания АСУ авиации.

Требования к уровню автоматизации процессов обработки и управления в ПВО, ВВС и других видах ВС в последнее время усилились. Особенно это связано с изменившейся военно-политической обстановкой в мире, распадом Советского Союза, усложнением условий ПВО, в первую очередь, Центрального промышленного района РФ, а также с развитием техники и тактики боевого применения средств воздушно-космического нападения и средств ПВО.

В связи с этим правительством РФ было принято решение о дальнейшем развитии системы ПВО г. Москвы и МПР с особым обращением внимания на развертывание новых средств обнаружения и уничтожения СВКН противника и новых средств автоматизации, обеспечивающих функционирование территориальных систем ПВО в реальном масштабе времени с жестко регламентированным циклом уничтожения.

Для нанесения ударов по объектам в границах Московского промышленного района гипотетически могут быть задействованы стратегические бомбардировщики, тактическая авиация, крылатые ракеты воздушного и морского базирования, различные типы беспилотных летательных аппаратов. Кроме того, при ударах по наиболее важным объектам могут быть использованы гиперзвуковые крылатые ракеты.

С учетом этого современную систему обороны региона необходимо рассматривать как межвидовую группировку сил противовоздушной обороны разных видов Вооруженных Сил (ВВС, СВ, ВМФ), включая все рода авиации и ракетно-космической обороны (РКО), оснащенную единой высокоавтоматизированной, стационарно-мобильной системой боевого управления реального масштаба времени (т.е. использующей высокоточную и незапаздывающую информацию о воздушно-космическом противнике и о действиях своих сил).

Базовой основой единой системы боевого управления могут быть АСУ и комплексы средств автоматизации (КСА), созданные для зенитных ракетных войск, прошедшие реальные испытания на полигоне и на учениях и производимые сейчас промышленностью.

На рис.1 приведена структурная схема межвидовой группировки, которая может быть реально создана для обеспечения высокоэффективной обороны сравнительно небольшой территории при отражении ударов противника, использующего современные средства воздушно-космического нападения.

Размер обороняемой территории в основном определяется характеристиками РЛС и других источников информации. Особенностью приведенной группировки является использование в ней разрешенных на экспорт ЗРК различной дальности действия (малой, средней и большой), авиации, оборудованной минимально необходимыми автоматизированными бортовыми системами, радиолокационных средств обнаружения информации, объединенных автоматизированными средствами обработки и управления с жестко регламентированным циклом.

Создание подобных автоматизированных комплексных систем обороны стало возможным после решения, в первую очередь, следующих основных научно-технических проблем:

оптимизации цифровой обработки информации от одной и от совокупности РЛС с различными характеристиками;

оптимизации практически автоматизированного управления совокупностью ЗРК и ЗРС с различными тактико-техническими характеристиками и реализации устойчивой системы управления на базе многомашинных (многопроцессорных) комплексов с использованием в полном объеме информации о целях, обработанных, отождествленных системой обработки радиолокационной информации и переданных для решения задач целераспределения и целеуказания в реальном масштабе времени;

оптимизации задач оповещения, управления и наведения истребительной авиации на базе получаемой информации от систем обработки с учетом боевых действий зенитных ракетных, противоракетных родов войск и с учетом автоматизированного управления авиацией на дальних рубежах.

Все эти проблемы решались в большинстве основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, которые велись по заданиям Министерства обороны СССР и России в МНИИПА или при головной роли института. Результаты нашли отражение в созданных образцах и системах, принятых на вооружение.

Созданные в институте системы являются основой управления силами и средствами ПВО страны. Среди последних разработок, обладающих высокой эффективностью и большим экспортным потенциалом, можно выделить КСА "Универсал-1Э", АСУ "Байкал-1МЭ", КСА ряда "Фундамент-Э", "Крым-Э", "Небосвод", "Полоса". Наиболее целесообразные решения нашли применение в централизованной комплексной системе ПВО г. Москвы.

В настоящее время наработаны значительные объемы программного обеспечения АСУ реального масштаба времени с жестко регламентированным циклом управления и обработки. Только по девяти АСУ, находящихся на вооружении в войсках, объем разработанного ПО равен почти 100 Мбайт. В связи с этим возникает проблема эмуляции комплексов программного обеспечения в любую (в том числе наиболее технологичную) вычислительную среду. Этот вопрос целесообразно решить уже сегодня.

Это позволит решать задачу создания современных группировок (рис. 2) без больших трудозатрат при переходе на высокотехнологичные вычислительные средства и обеспечить при этом информационную безопасность.

Продолжение следует.