Муравьев АВ Морфология и инженерия структур в ракетно-космической технике и беспилотных летательных аппаратах

- и возможность централизованного арбитража приоритетов.

Вместе с тем, центральный узел становится критической точкой отказа, выход из строя которой парализует всю систему. В раке-

тостроении эта уязвимость парируется троированием или мажо-

ритированием центрального вычислителя, но даже в этом случае звезда остаётся уязвимой к общим причинам отказов, поражаю-

щим все каналы сразу, например к короткому замыканию в об-

щем жгуте или к программной ошибке.

Стремление повысить живучесть привело к внедрению кольце-

вых структур. В кольцевой топологии каждый узел соединяется ровно с двумя соседними, образуя замкнутый контур, по которо-

му информация может циркулировать в одном или обоих направ-

лениях. В ракетной технике кольцевые схемы нашли применение,

в частности, в резервированных сетях передачи данных, где при обрыве линии с одной стороны пакеты автоматически направля-

ются по альтернативному пути, огибающему кольцо. Известны реализации бортовых магистралей на основе протоколов с мар-

керным доступом по кольцу, обеспечивающих детерминирован-

ные задержки, что критически важно для контуров управления реального времени. Для беспилотных аппаратов самолётного ти-

па кольцевое резервирование шины данных между автопилотом и рулевыми приводами гарантирует, что даже при перебитии жгута в одной точке хвостового оперения управляющие сигналы дойдут до рулей по второму плечу кольца. Однако кольцо обладает соб-

ственным недостатком: при двух и более разрывах сеть распада-

ется на несвязные сегменты, а добавление новых узлов требует

разрыва существующего кольца, что неудобно при модерниза-

ции. Поэтому в современных проектах кольцевые структуры всё чаще вытесняются либо дополняются более сложными топологи-

ями.

Полносвязная топология, в которой каждый элемент соединён с каждым, обеспечивает теоретически максимальную живучесть и минимальные задержки, но её практическое применение в ракет-

но-космических системах ограничено экспоненциальным ростом числа соединений с увеличением числа узлов. Для сети из десяти устройств потребовалось бы сорок пять линий связи, что непри-

емлемо как по массе кабелей, так и по сложности коммутации.

Тем не менее, идея полносвязности реализуется в усечённом виде на уровне критически важных подсистем: например, все три ре-

зервированных канала управления могут обмениваться данными друг с другом напрямую, минуя центральный арбитр, для опера-

тивного сравнения результатов и выявления расхождений. В роях беспилотных аппаратов полносвязная сеть на практике недости-

жима из-за ограниченной дальности и пропускной способности радиоканалов, но концептуально именно к ней стремятся при развёртывании ячеистых самоорганизующихся сетей, где каждый дрон способен ретранслировать пакеты от любого соседа, созда-

вая виртуальную топологию, близкую к полносвязной для теку-

щей пространственной конфигурации.

Особый интерес для проектировщиков ракетно-беспилотных систем представляют ячеистые сети, в которых узлы соединяются с несколькими соседями, но не обязательно со всеми, и маршру-

ты пакетов могут динамически меняться при изменении тополо-

гии или загрузки каналов. Именно такой подход доминирует в групповом применении беспилотных летательных аппаратов.

Группа дронов, выполняющая совместную миссию, развёртывает в воздухе мобильную ad-hoc сеть, где каждый аппарат является одновременно и источником данных, и ретранслятором. Если два дрона находятся вне зоны прямой радиовидимости, их пакеты ав-

томатически прокладывают путь через промежуточные узлы, по-

добно тому, как это происходит в интернете. При выходе одного дрона из строя или его удалении сеть самовосстанавливается:

протоколы динамической маршрутизации, такие как AODV или

OLSR, мгновенно пересчитывают таблицы маршрутов, и инфор-

мационный обмен продолжается. Это свойство, называемое са-

моорганизацией, делает роевые структуры исключительно живу-

чими и масштабируемыми, позволяя наращивать группировку без кардинальной перестройки архитектуры. С точки зрения ракето-

строения, аналогичные принципы начинают применяться для по-

строения распределённых систем управления внутри одной раке-

ты, где блоки авионики объединяются дублированной ячеистой шиной, так что при повреждении одного сегмента данные авто-

матически обходят его по альтернативному маршруту.

Важнейшим подклассом сетевых структур, привлёкшим вни-

мание в последние десятилетия, являются безмасштабные сети,

или сети со степенным распределением степеней вершин. В та-

ких сетях подавляющее большинство узлов имеет мало связей, но существует небольшое число высокосвязных хабов, которые

держат на себе основной трафик. Эта архитектура поразительно живуча по отношению к случайным отказам - удаление произ-

вольного узла с высокой вероятностью окажется удалением ма-

лосвязного элемента и не нарушит связность сети в целом, - но крайне уязвима к целенаправленным атакам на хабы. В контексте беспилотных систем это свойство проявляется двояко. С одной стороны, спутниковые группировки связи, такие как Starlink, в

определённом приближении можно рассматривать как безмас-

штабные сети на уровне межспутниковых лазерных линий, где несколько узлов выполняют функции магистральных маршрути-

заторов. Уничтожение или выход из строя такого хаба противни-

ком способен резко деградировать пропускную способность всей группировки. С другой стороны, рой тактических дронов может сознательно формировать у себя безмасштабную топологию,

назначая несколько аппаратов на роль хабов-ретрансляторов с повышенной мощностью передатчика, и тогда остальные дроны могут быть легче и дешевле. Однако при разработке таких систем необходимо закладывать механизмы быстрого переизбрания ха-

бов при их потере, что превращает безмасштабную сеть в дина-

мическую, эволюционирующую во времени.

Не менее значимой концепцией является сеть «малого мира», в

которой большинство узлов не связаны друг с другом напрямую,

но любые два узла могут быть соединены через небольшое число промежуточных шагов благодаря наличию немногочисленных длинных связей, перескакивающих через топологические рассто-

яния. В технике связи это свойство воплощается в иерархических

сетях с магистральными линиями, соединяющими удалённые кластеры. Для группового управления беспилотниками свойство малого мира означает возможность быстрого распространения команд и сигналов тревоги по всему рою. Если оператор назем-

ного пункта передаёт команду смены задания только одному ближайшему дрону, а тот, в свою очередь, транслирует её сосе-

дям, и так далее, то время доставки пропорционально диаметру сети. В сети, обладающей свойствами малого мира, диаметр мал даже при большом числе узлов, что позволяет оперативно реаги-

ровать на изменение обстановки. Это достигается добавлением нескольких дальних ретрансляционных линий - например, вы-

сотных дронов-ретрансляторов, парящих над основным роем.

Современные протоколы маршрутизации для роевых систем стремятся искусственно создавать такие длинные связи, оптими-

зируя сеть по критерию минимизации среднего числа переходов.

Вракетно-космической технике сетевые структуры вторгаются

ив традиционно монолитную область бортового электропитания.

Распределённая энергосистема с несколькими параллельно рабо-

тающими аккумуляторными батареями и преобразователями,

объединёнными общей шиной с переключаемыми секциями, реа-

лизует сетевую топологию, в которой при отказе одного источ-

ника нагрузка автоматически перераспределяется между остав-

шимися. Аналогичные принципы внедряются в пневмогидравли-

ческие системы: вместо единой магистрали подачи топлива дви-

гатели могут запитываться от нескольких баков, соединённых перекрёстными трубопроводами с управляемыми клапанами, так

что при разгерметизации одного бака или засорении линии топ-

ливо продолжает поступать по обходному пути. Такие сетевые гидравлические структуры уже рассматриваются для перспектив-

ных многоразовых ступеней, где отказоустойчивость двигатель-

ной установки должна быть на порядок выше, чем у одноразовых аналогов.

Следует подчеркнуть глубокое отличие сетевых структур от иерархических, традиционно доминирующих в ракетостроении.

Иерархия предполагает, что управляющие воздействия распро-

страняются сверху вниз, а информация о состоянии - снизу вверх,

причём горизонтальные связи минимизированы. Сеть же подра-

зумевает равноправие узлов и возможность обмена информацией в любом направлении без обязательного прохождения через центр. В системах управления ракетой-носителем долгое время господствовала централизованная иерархия: единый полётный компьютер получал данные от всех датчиков, вычислял управля-

ющие команды и рассылал их исполнительным устройствам. Од-

нако по мере роста сложности и требований к отказоустойчиво-

сти начался переход к федеративным и затем к сетевым архитек-

турам. В современных проектах, таких как перспективная рос-

сийская ракета «Амур-СПГ» или европейская Ariane 6, бортовой комплекс управления всё чаще строится на основе дублирован-

ной сетевой шины, к которой подключены интеллектуальные контроллеры подсистем, способные принимать локальные реше-

ния без участия центрального компьютера в случае его отказа.

Такая распределённая сетевая архитектура позволяет пережить

отказ центрального вычислителя: контроллеры двигателей и ру-

левых приводов продолжают отрабатывать последние получен-

ные команды или переходят в автономный режим стабилизации,

поддерживая ракету на траектории.

Для беспилотных летательных аппаратов сетевая парадигма выходит далеко за пределы отдельного борта, охватывая всю си-

стему «дрон - наземный пункт - каналы связи - другие дроны».

Возникает многоуровневая сеть, в которой нижний уровень обра-

зует сенсорная сеть из датчиков на борту, средний - локальная сеть роя, верхний — глобальная сеть связи с центром управления через спутники или высотные ретрансляторы. Каждый уровень имеет свои требования к пропускной способности, задержкам,

надёжности и защищённости. Сенсорная сеть внутри дрона, объ-

единяющая камеры, лидары, радиовысотомеры и инерциальные блоки, требует высочайшей синхронизации и детерминирован-

ных задержек, поэтому часто реализуется по схеме «звезда» с

центральным концентратором. Сеть роя, напротив, должна быть максимально децентрализованной и самоорганизующейся, чтобы функционировать в условиях динамической топологии и возмож-

ного противодействия. Здесь находят применение протоколы с предиктивной маршрутизацией, учитывающие прогнозируемое перемещение дронов, и алгоритмы консенсуса, позволяющие рою коллективно принимать решения, например о распределении це-

лей, без единого лидера. Такие алгоритмы, основанные на теории графов и распределённых вычислениях, гарантируют, что рой до-

стигнет согласованного состояния за конечное число шагов об-

мена сообщениями.

Одним из наиболее ярких примеров сетевой структуры гло-

бального масштаба являются спутниковые группировки связи и наблюдения. Система Starlink компании SpaceX насчитывает ты-

сячи малых спутников на низких орбитах, соединённых лазерны-

ми межспутниковыми линиями в единую ячеистую сеть. Каждый спутник поддерживает связи с несколькими соседями на той же орбитальной плоскости и на соседних плоскостях, а маршрутиза-

торы на борту динамически выбирают оптимальный путь для каждого пакета. Эта гигантская распределённая сетевая структу-

ра обладает всеми признаками безмасштабной сети малого мира:

большинство спутников взаимодействуют лишь с ближайшими четырьмя-шестью соседями, но есть магистральные линии между плоскостями, резко сокращающие диаметр сети. С точки зрения системной инженерии, такой подход обеспечивает беспрецедент-

ную живучесть: выход из строя одного или даже десятков спут-

ников не нарушает связность группировки в целом, а наземные терминалы автоматически переподключаются к другим аппара-

там. Эти же принципы начинают использоваться и в орбитальных группировках дистанционного зондирования Земли: спутники радиолокационной или оптической разведки обмениваются дан-

ными через межспутниковые каналы, позволяя оперативно пере-

давать снимки на наземные пункты приёма, даже если спутник в данный момент не находится в зоне видимости станции.

Сетевые структуры проникают и в сферу искусственного ин-

теллекта бортовых систем. Нейронные сети, применяемые для распознавания целей, навигации по визуальным ориентирам или управления в сложных средах, сами являются вычислительными сетями с большим числом простых элементов - нейронов, связан-

ных взвешенными синаптическими связями. Архитектуры свёр-

точных и рекуррентных нейронных сетей представляют собой частные случаи сложных графовых структур, топология которых подбирается под конкретный класс задач. В беспилотных лета-

тельных аппаратах нейросетевые алгоритмы всё чаще реализуют-

ся на бортовых графических процессорах или специализирован-

ных тензорных ускорителях, и от того, как организованы потоки данных между слоями сети - последовательно, параллельно или с обратными связями, - зависят точность и скорость принятия ре-

шений. Более того, в системах управления роем начинают приме-

няться графовые нейронные сети, способные напрямую обраба-

тывать данные, представленные в виде графа, где вершинами вы-

ступают дроны, а рёбрами - каналы связи между ними. Такая сеть может научиться предсказывать оптимальные манёвры для роя в целом, учитывая топологию текущих связей, и перестраивать эту топологию, отдавая команды на перемещение отдельных аппара-

тов.

Оборотной стороной сетевой гибкости является повышенная сложность анализа и верификации. Если иерархическую структу-

ру можно исчерпывающе описать с помощью дерева отказов и проверить каждую ветвь, то для сети с циклами и динамической

маршрутизацией число возможных состояний экспоненциально велико. Инженер, проектирующий сетевую архитектуру управле-

ния ракетой, обязан учитывать не только нормальные режимы, но и сценарии с частичными отказами, перегрузками и помехами,

которые могут привести к каскадным блокировкам, подобным тем, что иногда наблюдаются в интернете. Поэтому в аэрокосми-

ческих приложениях сетевые протоколы проходят чрезвычайно строгую верификацию, включая формальные методы доказатель-

ства отсутствия взаимоблокировок и гарантированной доставки критических сообщений за заданное время. Широко применяется

SpaceWire - отказоустойчивый сетевой протокол с маршрутиза-

цией на основе виртуальных каналов, который обеспечивает де-

терминированные задержки и контроль целостности данных, не-

обходимые для космических аппаратов. Для роевых систем раз-

рабатываются новые протоколы, учитывающие мобильность уз-

лов и ограниченные энергоресурсы, а также устойчивые к глуше-

нию и перехвату.

Необходимо подчеркнуть, что сетевые структуры в ракетно-

беспилотной отрасли не вытесняют полностью иерархические и линейные, а дополняют их, образуя сложные гибридные архитек-

туры. Силовая конструкция корпуса ракеты остаётся линейно-

иерархической, поскольку для передачи механических нагрузок сеть с множеством параллельных путей чрезвычайно трудно реа-

лизовать без перетяжеления. Система управления, напротив, эво-

люционирует от иерархии к сети, сохраняя иерархические уровни принятия решений, но внедряя горизонтальные перекрёстные