Рубрика: Новые технологии

16 апреля 2025 года

Вопросы, связанные с разработкой  принципов построения автономных  самоуправляемых распределенных систем вообще и роев БПЛА в частности представляют собой сложнейшую задачу, требующую новых решений по комплексам аппаратных и программных средств. Необходимы новые методы и алгоритмы координации и распределенной обработки данных, аппаратные средства распределенных вычислений, алгоритмов анализа и принятия решений, использующих ИИ. Эффективная распределенная система управления должна обеспечивать надежное взаимодействие между всеми БПЛА своего роя, а также с внешними средствами боевого управления, обеспечивая интеграцию роя в единую боевую сеть. При этом необходимо не допускать постороннего вмешательства в СУ роя и обеспечивать автономное функционирование в условиях непредсказуемой среды и изменяющихся заданий.

Ключевыми элементами проектирования являются вопросы, связанные с распределением функций в рое, моделирование поведения роя, разработка протоколов обмена информацией, внедрение методов адаптивного регулирования, методы обработки информации, прогнозирования и алгоритмы принятия решений. По мере увеличения числа БПЛА в рое, проблемы масштабируемости и устойчивости становятся особенно актуальными.

Дополнительно, необходимо учесть вопросы безопасности и защиты данных во время передачи информации между UAV. Важно внедрить методы машинного обучения для прогнозирования действий дронов и обработки поступающих сигналов. Создание надежной архитектуры распределенной системы управления роя БПЛА одна из сложнейших задач проектирования роев БПЛА, решение которой позволит реализовать преимущества децентрализованных систем управления — высокую надёжность и живучесть, приспосабливаемость к изменениям ситуации в системе «группа–среда», к потере отдельных БПЛА группы, а также к подавлению связи или сбоям.

Распределённая система управления роем БПЛА предполагает, что каждый участник группы обладает собственной СУ и эти системы объединены с помощью информационной сети связи. При этом каждая СУ включает в себя средства, которые отвечают за выбор действий БПЛА в составе группы.

Информация о действии, выбранном СУ, сообщается всем остальным, на основании чего последние могут скорректировать свои действия с учётом действия одного конкретного дрона для оптимизации достижения групповой цели.

Ещё один вариант распределённой системы управления — система, где каждый БПЛА группы также обладает своей СУ, но не имеет канала обмена информацией. При этом, в соответствии со стратегией стайного управления, координацию своих групповых действий дроны осуществляют на основании анализа реакции среды на суммарное действие всей группы.

Рой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) может быть, как однородным, так и разнородным. В однородном рое все дроны имеют одинаковую конструкцию и и одинаковый состав аппаратно-программный комплекс (АПК), что упрощает управление и снижает затраты на производство.

Другим, в некоторых случаях, более эффективным подходом является создание разнородного роя, где БПЛА разных типов и назначения специализируются на выполнении конкретных задач. Это позволяет охватить широкий спектр задач, и повысить общую эффективность и надежность системы, имея в составе роя БПЛА со сравнительно простым аппаратным и программным обеспечением. Соответственно и алгоритмы СУ  должны учитывать специфики  различных БПЛА, входящих в данный рой.

Такой смешанный состав позволяет создавать гибкие и адаптивные системы, способные реагировать на изменяющиеся условия на поле боя. Например, в одном рое могут быть БПЛА для разведки и наблюдения, действующие с дронами, предназначенными для ударных операций и дронами ретрансляторами. Каждый тип БПЛА выполняет свою уникальную функцию, что вместе создает синергию, повышающую общую эффективность задачи. Очевидно, что при проектировании СУ БПЛА, предназначенных для работы в рое необходимо предусмотреть возможность их работы как в однородных, так и в разнородных роях.

Продолжение>

10 апреля 2025 года

Система управления каждого БПЛА, который является  частью роя, должна обеспечивать ряд функций, обеспечивающих целостность роя, таких как принадлежность по принципу «я свой», предоставлять в общее пользование необходимую информацию о себе и, если назначено, выполнять общероевые функции.

Присутствие в рое, идентификация и аутентификация (я свой):

Каждый БПЛА должен иметь уникальный идентификатор (например, серийный номер), чтобы другие аппараты могли однозначно определить его присутствие в рое.

Жизненно важно предотвратить несанкционированное вмешательство в функционирование роя, поэтому необходимо использовать механизмы аутентификации, такие как цифровые подписи, обмен ключами, и другие наиболее надежные средства.

Обмен информацией в реальном времени:

Каждый БПЛА роя должен иметь возможность обмениваться данными  с другими элементами роя в реальном времени. Он должен идентифицировать себя и выдавать по запросам или инициативно необходимые или экстренные данные через сеть роя.

Эти данные должны включать текущее местоположение в рое, скорость, направление движения, пространственное положение, состояние батарей и другой аппаратуры, собственное видение обстановки,  выполняемую задачу и степень ее выполнения, сигналы опасности, а также любые другие параметры, необходимые для координации действий роя.

Связь с объектами вне роя

В процессе функционирования и решения задач необходима интеграция роя с внешними системами, такими, центры управления и другие автономные системы. Рой может получать задачи и инструкции от внешних источников, а также передавать собранные данные для анализа и принятия решений, а также, при необходимости, для взаимодействия с другими системами.

Одним из ключевых аспектов является обеспечение безопасной и надежной передачи данных. Это включает в себя использование зашифрованных каналов связи, протоколов аутентификации и механизмов предотвращения кибератак. Также важна стабильность соединения, особенно в условиях сложной местности или при наличии помех.

Задачей обеспечения такой связи в рое, по-видимому, должны заниматься не все элементы роя, а специально оборудованные для этого БПЛА с возможностями дублирования и ретрансляции.

Команды и данные управления.

СУ каждого БПЛА предполагает выдачу управляющих команд на подсистему управления его движением, которые генерируются алгоритмами БПЛА в соответствии с требуемыми собственными действиями для выполнения своей задачи в условиях окружающей обстановки, а также с учетом общих решений необходимых рою. Каждый БПЛА должен участвовать в принятии общих решений с использованием различных алгоритмов, например, голосования. Это позволяет БПЛА координировать свои действия в интересах всего  роя.

Важно также предусмотреть возможность для каждого БПЛА получать динамически назначение различных ролей внутри роя: например, данный аппарат может быть назначен лидером, отвечающим за координацию остальных.

Участие в анализе обстановки и принятии решений, интеллект и машинное обучение:

Использование алгоритмов ИИ и машинного обучения позволит улучшить анализ и принятие решений в условиях неопределенности и динамически меняющейся среды.

Например, эти технологии могут использоваться для предсказания поведения окружающей среды и адаптации стратегии полетов в зависимости от текущих условий.

Гибкость и масштабируемость.

Распределенная СУ роя БПЛА должна поддерживать как добавление новых, так и потерю каких-либо членов роя без значительного снижения его функциональных возможностей.

Также важно обеспечить возможность динамического перераспределения конфигурации роя и назначения отдельных его элементов в зависимости при изменении или уточнении поставленных задач.

Для этого в функционале СУ каждого БПЛА должны быть предусмотрены соответствующие средства связи, идентификации и аутентификации.

Контроль собственного положения БПЛА внутри роя

Функция контроля собственного положения БПЛА в рое создает возможности для различных форматов роевого взаимодействия, включая возможность перемещения в сложных условиях. Управление собственным позиционированием  критически важно для реализации сложных тактических маневров и поддержания заданной формации роя.

Современные технологии позволяют реализовать высокоточные системы навигации, которые обеспечивают автоматизированное отслеживание и управление положением каждого отдельного дрона в составе роя.

Основными компонентами таких систем являются GPS-приемники, инерциальные навигационные устройства, а также сенсорные системы, использующие данные от камер и лидаров. Эти элементы должны обеспечивать в реальном времени  контроль пространственного положения и ориентацию данного БПЛА, относительно других элементов роя.

Кроме того, алгоритмы взаимного контроля и обмена данными между БПЛА обеспечивают динамическое адаптирование к изменениям внешней среды и целям миссии..

Участие в  построении топологии роя

Важным аспектом функционирования роя является формирование оптимальной топологии, определяющей расположение и взаимодействие отдельных дронов.

Участие БПЛА в построении и перестроении топологии роя неразрывно связано с индивидуальными возможностями каждого аппарата и общей стратегией управления. Каждый дрон, оснащенный сенсорами и вычислительным блоком, способен оценивать свое местоположение относительно других членов роя и окружающей обстановки. Эта информация используется для принятия решений о его перемещении и взаимодействии с другими БПЛА.

Роль каждого БПЛА в процессе перестроения топологии зависит от его функционального назначения и положения в рое. Лидеры могут инициировать перестроение, в то время как остальные дроны следуют за ними, поддерживая целостность структуры.

Перестроение топологии может быть вызвано различными факторами: изменением цели, появлением препятствий, выходом из строя отдельных БПЛА. Алгоритмы перестроения должны обеспечивать быструю и эффективную адаптацию роя к новым условиям, минимизируя затраты энергии и сохраняя целостность группы.

Мониторинг наличия средств противодействия

Обнаружение и идентификация средств РЛС, систем РЭБ, систем противовоздушной обороны и других средств, предназначенны для подавления или уничтожения беспилотников и других угроз.

Для этого каждый БПЛА в рое выполняет сканирование в заданном для него спектре частот и анализирует электромагнитную обстановку. Обнаруженные всеми БПЛА сигналы сопоставляются с библиотекой известных угроз, что позволяет определить тип и местоположение вражеских средств.

Информация, собранная отдельными БПЛА, интегрируется и обрабатывается централизованно или параллельно, обеспечивая полную реальную модель зоны выполнения задач. Это позволяет предупреждать всех членов роя об опасностях, оперативно принимать решения о маршрутах обхода опасных зон, или о выполнении действий роя для противодействия угрозам.

Информационные  данные для управления в интересах общей задачи роя

Для эффективного управления действиями каждого БПЛА в рамках задач всего роя на всех этапах задания необходим постоянный сбор и анализ данных, как от собственных бортовых средств,  так и поступающих от других источников, в том числе и по спутниковым каналам. Общие функции СУ каждого БПЛА роя состоят в получении команд и обработке информации, по которой планируются его действия.

Статус и управление полезной нагрузкой

Статус и управление боевой нагрузкой на борту ударных БПЛА в процессе выполнения задач критически важны для обеспечения эффективности и безопасности операций. Мониторинг статуса боеприпасов включает в себя отслеживание количества, типа и готовности каждого боевого элемента. Управление осуществляется посредством автоматизированных систем, позволяющих оператору выбирать, активировать и применять соответствующие боеприпасы в зависимости от поставленной задачи и текущей оперативной обстановки.

В процессе выполнения задач, СУ БПЛА должна учитывать различные факторы, такие как расположение и дальность до цели, тип цели, погодные условия и угрозы со стороны противника. Динамическое перераспределение приоритетов целей и адаптация боевой нагрузки к изменяющимся условиям являются ключевыми аспектами эффективного применения ударных БПЛА. В случае нештатных ситуаций, система должна обеспечивать безопасный сброс боеприпасов в заданных зонах, минимизируя риск для гражданского населения и инфраструктуры. Своевременное получение и обработка информации о состоянии боевой нагрузки позволяют СУ роя принимать обоснованные решения в режиме реального времени.

Контроль и тестирование своего оборудования каждого БПЛА роя на этапах подготовки и выполнения задачи.

Контроль и тестирование своего оборудования каждого БПЛА роя одна из важнейших функций, как элемент обеспечения надежности и эффективности групповых операций. На этапе подготовки проводится комплексная диагностика всех систем: от двигателей и аккумуляторов до навигационного оборудования и систем связи. Это включает в себя проверку телеметрии, калибровку сенсоров и тестирование алгоритмов автономного управления.

Во время выполнения задачи непрерывный мониторинг состояния каждого дрона позволяет оперативно выявлять и реагировать на любые отклонения. Анализ поступающих данных в режиме реального времени обеспечивает возможность корректировки траектории, оптимизации энергопотребления и предотвращения потенциальных сбоев. В случае обнаружения неисправности, дрон может быть автоматически исключен из роя для предотвращения негативного влияния на общую миссию. Таким образом, строгий контроль и тестирование гарантируют стабильность и успешное выполнение поставленных задач.

Продолжение>

Очевидно, что для создания работоспособных и надежных систем управления полностью автономных самоуправляемых роев БПЛА необходимо учитывать множество требований, предъявляемых на каждом этапе выполнения задач, не исключая этапов подготовки и возврата на исходные позиции. Вырисовывается, так сказать двухзвенная система управления: распределенная СУ роя БПЛА и СУ комплекса подготовки, запуска и приема роев — системы дронпортов.

Даже такой краткий, и сравнительно поверхностных очерк, дает представление, о том, какое множество вопросов, от принципов построения распределенных систем управления, до создания  серийных технологий и производств   необходимых программно-аппаратных средств элементов распределенных систем управления роев, необходимо разработать и наладить прежде чем будут созданы реальные самоуправляемые автономные рои беспилотных аппаратов.

Потребуется выработка детального и основательного подхода к проектированию как аппаратных средств, так и программного обеспечения для каждого этапа. Важно также учесть вопросы безопасности, защиты от перехвата управления, надежности и устойчивости распределенной системы управления роя БПЛА к внешним воздействиям. Это потребует создания специальных испытательных полигонов, оснащенных необходимым оборудованием, разработанным с  применением современных методов тестирования и верификации.

Необходимо будет стандартизовать, разработать и наладить серийное производство множества базовых компонентов систем управления, для которых необходимо будет  разработать принципиально новое и более совершенное ПО с использованием ИИ. И наконец, потребуется наладить производства множества различных вариантов роев в больших количествах, совместимых между собой и с существующими системами управления боевыми действиями.

Важнейшую роль в этом процессе будет играть разработка надежного ПО элементов роя, на основе алгоритмов управления, которые, используя, если можно так выразиться, технологии распределенного ИИ, обеспечивали бы эффективное взаимодействие БПЛА внутри роя и всего роя с внешними средствами. Для достижения максимальной координации потребуется учитывать, как индивидуальные характеристики каждого элемента роя,  так и комплексирование в единую сеть общего боевого управления.

Весьма важной характеристикой будущих разработок будет создание модульных компонентов, способных интегрироваться в единую распределенную СУ роев различной конфигурации и назначения, обеспечивающую адаптацию роя в зависимости от назначений и задач роев.

Не менее важную и сложную задачу придется решать при создании вспомогательных автоматизированных средств тестирования и подготовки роев к запуску и выполнению задач.

Очевидно, решить все сложнейшие проблемы, стоящие при создании реальных роевых распределенных систем управления невозможно в рамках отдельных узких коллективов.  Потребуется интенсивная и согласованная работа большого количества  групп специалистов различных специальностей обладающих необходимыми компетенциями, как в сфере разработки и производства, так и сфере внедрения, освоения и увязывания с другими областями оборонной техники .

В начало>

В случае, если запланировано сохранение роя, то после выполнения задач СУ роя должно, по возможности, обеспечить возвращение всего роя или его остатков на исходные позиции.

Возврат на исходные позиции во многом повторяет этап формирования роя,  маршрутизации и подход к цели. Отличие заключается в том, что все действия рой должен выполнять  на удалении от исходной позиции, при существенном изменении состава роя из-за возможных потерь в процессе выполнения задачи. В этих условиях, СУ роя должен самостоятельно обеспечить восстановление связей, определить состояние каждого из сохранившихся БПЛА и оставшийся запас энергии, организовать их в единую структуру для обеспечения их дальнейших совместных действий. Из оставшихся элементов роя СУ должен обеспечить интеграцию данных о местоположении, статусе и наличии ресурсов, сформировать единую картину ситуации, позволяющую сформировать маршрут возврата, если таковое предусмотрено заданием.

Алгоритмы, управляющие роем  БПЛА, на этапе выхода из задания выполняют задачу сохранения роя как боевой единицы и играют решающую роль в обеспечении безопасного и надежного возврата. Эти алгоритмы обеспечивают:

• Восстановление роя: Определения оставшихся после выполнения задания БПЛА и формирование их топологии для движения по маршруту возврата.
• Планирования маршрутов: Определение оптимальных маршрутов возврата для каждого БПЛА, учитывая ограниченность оставшихся энергетических ресурсов.
• Управления движением: Координация движений БПЛА для предотвращения столкновений и обеспечения упорядоченного возврата.
• Контроля состояния: Мониторинг состояния БПЛА в режиме реального времени и принятие мер по устранению или локализации неисправностей.
• Обеспечения безопасного возврата: Безопасное возвращение БПЛА на исходные позиции без ущерба для людей и другого оборудования.
• Эффективное управление: Оптимизация использования воздушного пространства минимизация помех другим летательным средствам при минимизации времени, затрачиваемого на возврат.
• Совместимость: Взаимодействие с системами управления воздушным движением для обеспечения безопасной работы в контролируемом воздушном пространстве.

Отдельный вопрос — это системы «приема» роя беспилотников, готовых к посадке. Здесь важны не только точные алгоритмы навигации и распознавания посадочных площадок самого роя, но и скоординированная работа всех элементов приемной инфраструктуры. Необходимо обеспечить безопасное и эффективное распределение посадочных мест, учитывая приоритеты, размеры дронов и их техническое состояние.

Можно пофантазировать и представить себе платформу, усеянную множеством посадочных площадок, каждая из которых оснащена датчиками и системами автоматической идентификации. Дроны, подлетая к платформе, связываются с центральным автоматизированным постом, который анализирует их данные и направляет к свободной площадке. Система должна быть способна обрабатывать одновременно десятки или даже сотни запросов на посадку, избегая столкновений и заторов в воздушном пространстве.

После посадки необходимо обеспечить, если необходимо, реконфигурацию роя, быструю диагностику и обслуживание дронов. Автоматизированные системы, также как при запуске,  должны проводить проверку основных элементов БПЛА, заменять аккумуляторы и даже выполнять мелкий ремонт. Все это должно происходить быстро и эффективно, чтобы дроны могли как можно скорее были готовы к выполнению следующей задачи.

Продолжение>

На этом этапе  рой БПЛА выполняет свои основные задачи, ведя разведку и собирая данные, выполняя ударные действия или взаимодействуя с окружающей средой. СУ роя контролирует и обеспечивает выполнение функций:

• Определение обстановки и корректировка тактических алгоритмов
• Поиск целей и определение тактик выполнения задач
• Передача данных при необходимости в центр управления об обстановке и возможных вариантах выполнения задач
• Реализация тактических алгоритмов по выполнению задачи
• Противодействие средствам поражения и защиты целевого объекта
• Реконфигурация роя при изменении задачи или при потере части элементов роя
• Контроль результатов выполнения задач

Алгоритмы СУ роя БПЛА в процессе поиска целей и выполнения задачи

Рой в процессе выполнения может выполнять одновременно целый спектр различных задач, распределяя их между БПЛА роя: разведка и поиск целей, противодроновые операции, наведение и поражение целей противника и другие необходимые операции.

Разведка и поиск целей являются одними из ключевых функций роя, позволяя оперативно получать информацию о позициях противника, его технике и перемещениях. Благодаря большому количеству дронов, рой может охватить значительную территорию и выявлять цели, которые могут быть скрыты от традиционных средств разведки.

Каждый  БПЛА роя, в той или иной степени должны  иметь модель района выполнения задачи, предварительную информацию о обстановке целевой зоне. введенную на этапе подготовки роя к пуску. Используя  сенсоры для сбора данных о местности и потенциальных целях рой должен уточнить имеющуюся модель и текущую обстановку. Адаптивные алгоритмы и средства связи всех БПЛА роя позволяют дронам мгновенно обмениваться информацией, которая уточняет полную модель обстановки, уточняет ситуацию и выявляет потенциальные цели. Для этого используются все средства наблюдения, распознавания и анализа обстановки роя. А сбор информации, анализ и уточнение моделей может производиться в нескольких центрах  роя с последующим сравнением результатов.

Помимо этого, рой БПЛА может эффективно использоваться для противодроновых операций. Обнаруживая и идентифицируя вражеские беспилотники, рой способен перехватывать их, нейтрализовывать или выводить из строя, обеспечивая защиту своих объектов и позиций. Рой БПЛА позволяет реализовать варианты обнаружения с помощью сенсоров, видеокамер, пеленгаторов и алгоритмов анализа, использующих технологий с ИИ,  операторов противника, управляющих БПЛА.

Наконец, рой БПЛА может наносить удары по объектам противника. Координированные атаки с разных направлений способны прорвать оборону и поразить цели с высокой точностью. При этом, благодаря своей численности, рой может подавлять систему ПВО противника, обеспечивая успешное выполнение поставленной задачи.

Функции системы управления ударного БПЛА в процессе наведения на цель и поражения цели охватывают широкий спектр задач, начиная с обнаружения и идентификации цели, и заканчивая точным наведением и эффективным поражением.

На этапе наведения система управления обеспечивает непрерывное отслеживание цели, используя различные сенсоры и алгоритмы обработки данных. Она определяет текущие координаты цели, прогнозирует ее возможное движение и корректирует траекторию полета БПЛА для достижения оптимальной точки прицеливания. Важную роль играют системы навигации и позиционирования, обеспечивающие высокую точность определения местоположения БПЛА в пространстве.

При поиске целей БПЛА роя используют как стандартные сенсоры: лидары, видеокамеры, так и специализированное: инфракрасные камеры, радио и звуковые определители источников. Лидары обеспечивают высокоточное сканирование местности и создание трехмерных моделей, что критически важно для обнаружения объектов, скрытых под листвой или маскировкой. Видеокамеры, особенно в сочетании с алгоритмами компьютерного зрения, позволяют идентифицировать объекты по визуальным признакам, таким как форма, цвет и текстура.

Инфракрасные камеры становятся незаменимыми в условиях плохой видимости, ночью или при наличии дыма, так как они способны обнаруживать тепловые сигнатуры объектов. Радиопеленгаторы и звуковые определители источников используются для обнаружения работающей электроники или движущейся техники, даже если они находятся вне прямой видимости. Сочетание этих сенсоров позволяет рою БПЛА эффективно обнаруживать и классифицировать цели в самых разнообразных условиях. Информация, собранная различными сенсорами, интегрируется и анализируется централизованно, повышая общую эффективность системы. Тактики и распределение функций, реализуемые СУ роя БПЛА и его состав на этапе выполнения задания, задаются при подготовке роя к запуску и определяются содержанием конкретной задачи. При этом, на основе информации поступающей от разведывательных и наблюдательных средств самого роя, распределенная СУ роя должна обеспечивать необходимую корректировку поведения роя. Общими принципами для всех действий СУ роя на данном этапе  являются принципы кооперативности, распределения ресурсов и адаптивного поведения, подчиненные выполнению общей задачи роя. Каждый БПЛА в рое действует не как индивидуум, а как часть единой системы, что позволяет достичь  высокой степени вероятности и эффективности в выполнении поставленных задач.

В момент поражения цели система управления активирует боевую нагрузку, обеспечивая ее точное наведение и детонацию в заданный момент времени. Алгоритмы управления учитывают различные факторы, такие как скорость и направление ветра, расстояние до цели и тип боеприпаса, для достижения максимальной эффективности поражения. После поражения цели система управления проводит оценку результатов, используя видео- и фотоматериалы, а также данные с других сенсоров.

Принятие решений и распределение задач

СУ роя делит функции среди дронов роя и формулирует задания: одни назначаются заниматься наблюдением и разведкой, другие – осуществлять выполнение задачи, например, выполнять идентификацию целей и атаки. Это распределение ролей основано на текущих условиях и степени угрозы. В случае изменения обстановки, задачи могут быть динамически перераспределены.

Алгоритмы подхода к цели.

Выбор траектории подхода к цели обычно осуществляет СУ дронов на основе обстановки с использованием ИИ обученного на адекватных моделях.

Дроны  могут приближаться к цели по прямой или по спиральной траектории, постепенно уменьшая радиус спирали по мере приближения. Главное, при подлете к целевой области, это обеспечить точность и безошибочность попадания.

Алгоритмы подхода с использованием сетей: Эти алгоритмы используют сетевые структуры для создания координат подхода к цели. Дроны перемещаются вдоль этих сетей, обеспечивая предсказуемое и согласованное движение.

Алгоритмы подхода с использованием машинного обучения: Эти алгоритмы используют методы машинного обучения для обучения дронов оптимальным стратегиям подхода к цели на основе исторических данных и/или моделирования.

Самозащита и реконфигурация

Самозащита и реконфигурация роя БПЛА в процессе выхода на цель и выполнения задачи ударных функций

В условиях современной войны рой БПЛА должен обладать способностью к самозащите и адаптации. Это критически важно для успешного выполнения задач в условиях активного противодействия.

Самозащита роя включает в себя обнаружение угроз (РЭБ, ПВО), уклонение от атак и подавление средств противника. Реконфигурация подразумевает изменение структуры роя, перераспределение задач и ресурсов в зависимости от текущей обстановки.

При выходе на цель рой может менять построение для повышения маневренности или усиления огневой мощи.

Во время выполнения ударных функций рой должен иметь возможность динамически менять тактику, координируя действия для максимизации ущерба цели или целям. Это может включать в себя синхронные атаки, поражение ключевых элементов инфраструктуры или одновременное воздействие на несколько целей.

В случае потери одного или нескольких БПЛА, оставшиеся дроны должны автоматически перераспределить их задачи, сохраняя общую эффективность. При этом необходимо обеспечивать защиту наиболее уязвимых и ценных БПЛА, входящих в рой.

Гибкость и адаптивность роя – залог успешного выполнения задач в динамичной и непредсказуемой среде.

Продолжение>

Функции СУ на этапе

Ключевую роль в процессе управления автономным полетом роя БПЛА на маршруте и при подходе к цели играют надежность и быстродействие работы бортовой аппаратуры и качество алгоритмов распределенной СУ роя.

Полет к целевой зоне начинается с работы СУ по построению маршрута на основе анализа выполняемой задачи, карты местности, заданной целевой точки, к которой следует двигаться, особенностями местности, заданным составом  роя, вероятными враждебными действиями, другими известными ограничениями,  известными на момент старта. При этом определяется траектория, высота и скорость каждого БПЛА на маршруте. Возможные маршруты должны строиться, с применением различных стратегий, включая генетические алгоритмы и различные методы поиска оптимальных маршрутов с использованием, например, хорошо разработанной  теории графов.

СУ роя контролирует движение по маршруту,  координирует взаимное положение БПЛА и, в случае необходимости корректирует маршрут или взаимное положение БПЛА. При это производится:

• Определения навигационных характеристик движения всего роя и сравнение с полетным заданием
• Контроль и анализ окружающей обстановки
• Контроль наличия средств противодействия
• Перестроение топологии сети связи в случае необходимости
• Управление движением роя
• Коррекция движения при определении непредусмотренных помех и препятствий
• Посылка сообщений на пункт управления по программе полета или в случае необходимости.

Используя различные методы анализа данных, получаемых от сенсоров всех БПЛА роя, СУ каждого БПЛА параллельно на основе ИИ в реальном времени производят свою оценку обстановки. Затем на основе алгоритмов принятия решений происходит адаптация элементов  роя к динамически изменяющимся условиям

При подходе к цели система управления учитывает факторы, такие как минимизация шумов и излучений, взаимодействие с другими БПЛА и риск обнаружения противником.

Алгоритмы управления роем на маршруте

Большинство работ по разработке алгоритмов управления роем относятся именно к этому этапу. Эти алгоритмы отвечают за планирование и выполнение траекторий полета каждого БПЛА и всего роя в целом, оптимизированных по приемлемым в данном случае функционалам, Эти алгоритмы используют методы оптимизации, такие как поиск пути с минимальным временем, расстоянию, энергетике, препятствиям, стоимостью и т.д. Алгоритмы кооперативной маршрутизации,  учитывая взаимодействие между несколькими БПЛА, распределяя задачи и координируя траектории, чтобы избежать столкновений и максимизировать эффективность, обеспечивают сложное адаптивное поведение роя. Распределение задач для БПЛА роя может динамически изменяться. Например, большую часть рой может проделать, по алгоритму птичьей стаи, назначив лидера, который ведет весь рой. А при подходе к цели рой может перестроиться, разбившись на группы с назначением функций лидеров, разведчиков и ударных дронов новым членам роя.

Методы оптимизации как правило основаны на минимизации функционалов, включающих в себя:

• Оптимизацию времени, когда планирование траекторий роя минимизирует время достижения цели.
• Оптимизацию энергии, когда управление дронами старается минимизировать расход энергии и увеличить сроки службы батарей.
• Оптимизация рисков, когда управление минимизировать риски от воздействий различных помех, таких как препятствия, неблагоприятные погодные условия, электронные помехи и другие средства противодействия, для безопасного выполнения задания.

Алгоритмы маршрутизации также могут динамически изменяться и корректироваться в ответ на изменения окружающей среды, такие как появление препятствий, изменение погодных условий выявление средств противодействия и т.д.

Определения характеристик движения и сравнение с полетным заданием

Успешность выполнения  движения по маршруту целиком зависит от надежной работы навигационной системы, системы связи, комплекса сенсоров и алгоритмов принятия решений.

Навигационные комплексы роя БПЛА все вместе должны решать текущие задачи заданного полетного маршрута и корректировать его в случае появления непредвиденных препятствий. Чаще всего навигационные расчеты производятся для одного из БПЛА, назначенного ведущим, остальные БПЛА строятся вслед ведущим. При этом решаются такие конкретные задачи:

• Определение текущего положения характерного элемента роя (лидера).
• Определение текущего местоположения и ориентации каждого БПЛА в рое.
• Расчет траектории и скорости полета на основе полетного задания.
• Сравнение фактических характеристик движения с запланированными и выявление отклонений.
• Расчет маневров для каждого БПЛА в рое случае необходимости корректировки полетного задания с использованием собственных сенсоров и информации от всех других БПЛА роя.
• Переориентирование на другой БПЛА в случае потери или выхода из строя лидера.

Управление и контроль взаимного (локального) перемещения элементов роя

Поддержание заданного расстояния и ориентации между БПЛА в рое и управление относительным положением для оптимизации эффективности полета и взаимодействия на всех этапах выполнения задач может осуществляться на базе различных алгоритмов, которые широко рассматриваются в специальной литературе.  К ним относятся алгоритмы, основанные на искусственных потенциальных полях, где каждый БПЛА отталкивается от соседних и притягивается к целевой точке, обеспечивая стабильную формацию и избежание столкновений. Другой подход использование лидерно-ведомой стратегии, когда один БПЛА ведет группу, а остальные следуют за ним, поддерживая заданное относительное положение.

Также применяются алгоритмы на основе поведенческих подходов, где каждый БПЛА реагирует на действия соседей, формируя сложные паттерны взаимодействия. Важным аспектом является учет ограничений связи и задержек при передаче данных между БПЛА, что влияет на устойчивость роевой системы. Адаптивные алгоритмы, способные изменять параметры в зависимости от условий окружающей среды и характеристик задачи, позволяют повысить робастность и эффективность роевого интеллекта.

Формирование данных и модели  окружающей обстановки

В последние годы наблюдается значительный прогресс в области формирования данных с сенсоров беспилотных летательных аппаратов, что открывает новые горизонты для анализа и управления сложными экологическими системами. Системы сенсоров, расположенные на каждом БПЛА, способны собирать обширные данные о состоянии окружающей обстановки, включая информацию о температуре, влажности, качестве воздуха и других параметрах.

Эти данные передаются в централизованные модели, где происходит их обработка и анализ с использованием алгоритмов машинного обучения. Модели окружающей обстановки, формируемые на основе собранных данных, предоставляют возможность не только визуализации состояния экосистем, но и предсказания изменений, что положительно сказывается на принятии решений в режиме реального времени.

Интеграция данных от отдельных БПЛА в единую систему позволяет создать гибкие рои, способные адаптироваться к изменяющимся условиям и обучаться на основе накопленного опыта. Все это способствует усилению эффективности множества применений: от средства охраны, мониторинга окружающей среды, военной отрасли до оптимизации сельского хозяйства.

Требования к АПК  СУ роя БПЛА на выполнения маршрута и подхода к цели.

На этапе выполнения маршрута и подхода к цели аппаратно-программный комплекс управления роем БПЛА должен обеспечивать надежное исполнение необходимых функций, а также безопасность для собственных средств.

Ключевыми требованиями являются:

Высокоточная навигация: Использование GPS/ГЛОНАСС с дифференциальной коррекцией, инерциальных систем навигации (INS) и визуальной одометрии для определения местоположения с минимальной погрешностью.

Обнаружение и идентификация цели: Средствами сенсоров и видео камер, а также навигационного оборудования БПЛА, производится получение данных для анализа по обнаружению и определению характеристик цели.

Обнаружение и идентификация цели роем БПЛА – ключевой этап в реализации эффективного мониторинга и реагирования. Средства сенсоров, включающие в себя широкий спектр датчиков, в сочетании с высокоразрешающими видеокамерами, установленными на борту каждого БПЛА, обеспечивают сбор обширных данных об окружающей обстановке. Эти данные, дополненные информацией, получаемой от навигационного оборудования, позволяют проводить комплексный анализ для обнаружения потенциальных целей и определения их характеристик.

Процесс включает в себя алгоритмы компьютерного зрения, способные выделять объекты, соответствующие заданным критериям поиска, например, по форме, размеру или движению. Дальнейшая обработка данных позволяет определить координаты цели, ее скорость и направление движения. Интеграция данных от нескольких БПЛА, работающих в рое, значительно повышает точность обнаружения и идентификации, минимизируя влияние помех и обеспечивая более полную картину ситуации. Полученная информация передается оператору или в систему управления для принятия решений.

Обмен данными: Надежная и высокоскоростная связь между БПЛА для обмена данными о местоположении, состоянии, окружающей среде и командах управления.

Распределенное принятие решений: Алгоритмы роевого интеллекта для координации действий БПЛА, оптимизации траектории и перераспределения задач в реальном времени

Обнаружение и избегание препятствий: Использование сенсоров (лидары, камеры) для обнаружения препятствий и автономного изменения траектории.

Отказоустойчивость: Автоматическое обнаружение и компенсация отказов и потерь отдельных БПЛА, анализ возможностей, ресурсов и принятие решений по оперативному перераспределению их функций  между оставшимися.

Продолжение>