Автономная система навигации и ориентирования беспилотных летательных аппаратов для полётов в городе: задачи и требования функционирования | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 23 ноября, печатный экземпляр отправим 27 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Хаметов Р. С., Темник Я. А., Шведов П. Е., Исламов В. К. Автономная система навигации и ориентирования беспилотных летательных аппаратов для полётов в городе: задачи и требования функционирования // Молодой ученый. — 2018. — №45. — С. 37-42. — URL https://moluch.ru/archive/231/53568/ (дата обращения: 12.11.2019).



Статья содержит основные результаты исследований по построению и применению комплекса беспилотных летательных аппаратов для работы в условиях высокоинформативной подстилающей поверхности. Используя методологию системного инжиниринга проведен анализ особенностей функционирования, выявлены задачи и основные свойства бортовых приборов, обеспечивающих ориентацию аппаратов, обзор окружающего пространства и подстилающей поверхности. Разработаны требования к построению автономной системы навигации и ориентирования беспилотных машин-роботов для совершения полётов в городских условиях.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БЛА), полёт, автономная система навигации и ориентирования (АСНО), пространство, городская среда, подстилающая поверхность, задачи, требования, функционирование.

В последние годы массовое применение беспилотных летательных аппаратов (БЛА) характерно для самых различных сфер человеческой деятельности. Существует множество комплексов БЛА для решения как военных, так и гражданских задач. Для эффективного выполнения задач необходимо обеспечить определение местоположения летательного аппарата. Эта задача в настоящее время часто решается за счет применения бортовых систем на основе радиокомандного управления, радиомаяков и приемников GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). Дополнительными или альтернативными техническими средствами могут служить автономные системы навигации и ориентирования (АСНО) [1], построенные на различных принципах. В их состав входят миниатюрные приборы и устройства, обеспечивающие сканирование, обзор и формирование картины окружающего пространства в форматах 2D и 3D, проведение измерений, скоростную обработку, анализ и передачу данных.

Изучение материалов, отражающих опыт ведения военных (боевых) действий за последние десятилетия, показывает, что при подготовке и в ходе операций для решения задач воздушной разведки применялись аппараты, способные совершать полёты по программе. Разведывательные и ударные БЛА призваны сохранять жизни пилотов и дорогостоящую авиационную технику [2].

Использование комплексов БЛА при ведении операций в крупных городах и населённых пунктах вызвало определённую специфику в тактике действий войск и способах применения средств вооруженной борьбы [3, 4]. Военное командование США неоднократно отмечало, что при ведении уличных боёв наиболее сложными проблемами, с которыми столкнулись армейские подразделения, являлись следующие:

– крайне низкая эффективность использования разведывательных систем;

– проблемы определения принадлежности противника к боевым подразделениям;

– действие противоположной стороны малочисленными группами (8–10 чел.);

– наличие значительного числа мирных жителей в местах ведения боевых действий.

Ещё в конце 90-х годов комендант корпуса морской пехоты США генерал Чарльз Крулак в работе «Война трёх кварталов» (Three Block War — «Трёхблочная война») описал особенности и смешанный тип боя в городе [4]. Данная концепция предусматривает, что в ходе военных действий и вооруженных столкновений в городских условиях одновременно ведутся операции трёх типов:

1) борьба с регулярными войсками — танки и воздушные силы должны осуществлять уничтожение врага и захватывать его территорию, географические объекты;

2) столкновения с иррегулярными формированиями, противодействие партизанским и террористическим атакам с выполнением задач охраны населения и контроля работы жизненно важных объектов инфраструктуры (гуманитарная миссия);

3) мероприятия по стабилизации обстановки (миротворческие), включающие обучение полицейских контингентов, создание гражданских институтов управления, восстановление городской среды обитания при взаимодействии с местным населением.

В американском уставе FM 3–06 (FM 90–101) Urban Operations городская среда определяется и рассматривается как система, состоящая из трёх взаимосвязанных элементов (рисунок 1).

Рис. 1. Основные элементы городской среды [5]

Особенностью боя в городе и применения БЛА является необходимость обнаружения и поражения противника в жилых кварталах, снаружи и за стенами высотных домов. В отличие от традиционного (классического) двумерного «поля боя» в условиях «городского пространства» оружие и техника будут применяться в различных «измерениях»: в воздушном пространстве, на открытых поверхностях, внутри зданий и сооружений и даже под землей [5]. Основные компоненты пространства, наименования поверхностей, которые могут служить ориентирами, и на которых могут размещаться объекты разведки и поражения при ведении боя в городе, показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Основные компоненты городского пространства

Обзор информационных материалов о характере и условиях ведения локальных войн и вооружённых конфликтов свидетельствует о том, что наиболее ожесточённо и интенсивно боевые действия велись в густонаселённых городах и районах (Афганистан, Ливия, Ирак, Ливан, Иран, Сирия, Палестино-Израильские территории). В ряде случаев применение танков, артиллерии, боевых машин пехоты, пилотируемых самолётов и вертолётов было затруднительным и малоэффективным. Действия наземных сил и пилотируемой авиации значительно ограничивались. Нанесение ударов по противнику зачатую приводило к нежелательным сильным разрушениям жилых зданий, промышленных и коммуникационных объектов.

В связи с этим перед разработчиками вооружения и военной техники ставились задачи создания новых разведывательных и боевых комплексов БЛА, способных автономно функционировать в городских районах с плотной и высотной застройкой, при наличии естественных и искусственных помех, «забитого» радиоэфира [6].

Создаваемые и разрабатываемые комплексы БЛА должны обеспечивать совершение аэродинамического полёта по программе и обнаружение малоразмерных объектов. Полёты в городских условиях будут планироваться и осуществляться для решения задач поражения различных объектов (ударные задачи), ведения воздушной разведки и ретрансляции сигналов управления и связи, доставки грузов (транспортные задачи) [7, 8]. Требования и задачи функционирования комплексов БЛА, которые необходимо учитывать при разработке АСНО, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Требования и задачи функционирования БЛА

Наименование требований к БЛА

Задачи (тип) БЛА

Ударные

Разведывательные/

организации связи

Транспортные

Общие

(планер и двигатель)

Всепогодность

+

+

+

Всесуточность

+

+

+

Преодоление искусственных помех

+

-

+

Совершение манёвра на конечном участке полёта (траектории)

+

-

+

Скорость горизонтального полёта

Высокая

Низкая

Средняя

Скорость на конечном участке полёта и наведения в цель

Высокая, средняя

-

Средняя, низкая

Переносимые перегрузки

Высокие

Низкие

Средние

Система навигации и ориентирования

Обзор окружающего пространства

+

+/-

+

Позиционирование БЛА

Определение положения относительно цели

Определение положения относительно других объектов

Определение положения относительно цели

Объекты обнаружения

Статические, динамические

Статические, динамические

Статические

Точность измерения высоты полёта

м

дм — м

дм — м

Точность позиционирования в горизонтальной плоскости (2D)

1–10 м

1–2 м

1–10 м

Точность позиционирования на конечном участке полёта

Определяется размерами цели (дм)

-

Определяется зоной посадки (дм — м)

Точность позиционирования на конечном участке (3D)

1 м

-

1–10 м

Анализ показал, что при разработке предложений по составу и технико-функциональным характеристикам автономных систем навигации и ориентирования БЛА должны учитываться не только конструктивные и лётно-технические показатели беспилотников, но и их задачи, особенности и возможности совершения управляемого полёта в сложных (городских) условиях. Системы для воздушных ударных, разведывательных и транспортных машин-роботов должны создаваться с учётом массы, габаритов, грузоподъёмности, а также требований назначения БЛА, специфики их полезной нагрузки и условий выполнения боевых задач.

АСНО ударного БЛА должна без сбоев функционировать в ходе полёта аппарата, при следовании его в назначенную зону, барражировании на различных высотах, в процессе разведки, поиска, обнаружения цели и наведения на неё бортового оружия. Навигация и ориентирование БЛА на конечном этапе полёта должны осуществляться в ограниченном пространстве. Требования к АСНО БЛА транспортного класса состоят в возможности ориентации и навигации летательного аппарата в режимах взлета/посадки и крейсерского полета по маршрутным точкам в рамках существующей карты местности.

Особенность функционирования АСНО беспилотных аппаратов — обеспечение манёвренного полёта между высотными домами и строениями. Кроме того, АСНО как составная часть системы управления БЛА должна иметь гибкую структуру, возможность изменять режимы и алгоритмы работы. Она должна быть функционально надёжной и защищённой от радиоэлектронных помех.

Для реализации принципов управляемого полёта, навигации и ориентирования БЛА на их борту могут размещаться специальные комплекты оптико-электронных приборов и систем, обеспечивающих круговой обзор окружающего пространства, измерение параметров полёта, сканирование и получение видеоизображений наземных объектов в форматах 2D и 3D, накопление и обработку больших объёмов информации, скоростную передачу команд и сигналов по каналам (линиям) связи.

При определении показателей эффективности и надёжности функционирования АСНО необходимо учитывать виды помех и уязвимости контуров в системах управления БЛА. Основные уязвимости системы управления современных БЛА показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Уязвимости системы управления БЛА [2]

Сегодня для борьбы с БЛА могут применяться различные средства и станции радиоэлектронной борьбы. Например, комплексы, способные на дальностях до 10 км перехватывать и модифицировать команды управления и заглушать сигналы спутниковой навигации — AUDS Anti-UAV Defence System (Blighter, USA) [9] и комплекс «Солярис-Н» (АО «Концерн «Созвездие», Россия), который был представлен на международной выставке «Интерполитех-2018» [10].

Такими образом, при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию и совершенствованию систем управления БЛА будут актуальными задачи выбора состава АСНО и схем их построения. Обоснование комплектов приборов и характеристик системы для различных БЛА необходимо проводить с учётом целевого предназначения и условий полёта аппаратов, закономерностей и особенностей влияния разнородных помех на функциональные возможности. Важное значение будет иметь выявление лётно-технических показателей и качественно-количественных оценок эффективности функционирования автономной системы навигации и ориентирования БЛА в городских условиях. Появление и совершенствование автономных робототехнических комплексов в перспективе может стать одним из оснований для исключения возможности возникновения ряда локальных конфликтов.

Литература:

1. Буянов И. А., Исламов В. К. Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D // Молодой ученый. — 2017. — № 50. — С. 24–30. URL: https://moluch.ru/archive/184/47140/ (дата обращения: 04.11.2018).

2. Мезенцев В. В. Особенности функционирования беспилотных летательных аппаратов ближнего действия в условиях информационно-технического воздействия // Доклады и статьи ежегодной научно-практической конференции «Перспективы развития и применения комплексов с беспилотными летательными аппаратами». — Коломна, 2016. — С. 212–216.

3. Малышев В. Г. Маленькие хитрости уличного боя // Независимое военное обозрение. — 2003. — № 30.

4. Попов И. М. О долгосрочных характеристиках войн и вооруженных конфликтов // Некоторые аспекты анализа военно-политической обстановки: монография / под ред. А. И. Подберезкина, К. П. Боришполец. МГИМО (ун-т) МИД России, центр военно-полит. исследований. — М.: МГИМО–Университет, 2014. — С. 659–836.

5. FM 3–06 (FM 90–101) Urban Operations. Washington, 2003 June. — С. 2–2.

6. A Roadmap for U. S. Robotics. From Internet to Robotics. 2016 edition. URL: http://jacobsschool.ucsd.edu/uploads/docs/2016/roadmap3-final-2b.pdf (дата обращения: 20.10.2018).

7. Комаров А. О., Скворцова М. А., Орешкова О. В. Автономная визуальная навигация бортовой системы беспилотного летательного аппарата // «Политехнический молодежный журнал» МГТУ им. Н. Э. Баумана. — 2017. — № 6(11).

8. Flying Real-Time Network to Coordinate Disaster Relief Activities in Urban Areas // US National Library of Medicine. Дата обновления: 22.05.2018. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5982691 (дата обращения: 31.10.2018).

9. AUDS Anti-UAV Defence System // Blighter. Дата обновления: 04.09.2017. URL: http://www.blighter.com/products/auds-anti-uav-defence-system.html (дата обращения: 26.10.2018).

10. Ростех создал «интеллектуальный» комплекс для борьбы с беспилотниками // Ростех. Дата обновления: 25.10.2018. URL: https://rostec.ru/news/rostekh-sozdal-intellektualnyy-kompleks-dlya-borby-s-bespilotnikami (дата обращения: 26.10.2018).

Основные термины (генерируются автоматически): автономная система навигации, окружающее пространство, ориентирование, задача, подстилающая поверхность, точность позиционирования, городская среда, воздушная разведка, летательный аппарат, AUDS.


Похожие статьи

Автономная система ориентирования беспилотного...

Для решения задач мониторинга территорий и объектов, как в военной, так и в гражданской сфере применяются сверхлегкие беспилотные летательные аппараты. Главным критерием гарантии выполнения поставленной задачи является точность его позиционирования в...

Автономная система позиционирования в составе управления...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного... В системах управления, навигации и наведения наземных и воздушных роботов используются различные по конструкции и физическим принципам действия приборы: радары, сканеры, дальномеры...

Анализ и выбор систем навигации робота для...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного... GPS, формат, система, дальномер, эталонное изображение, трехмерная сцена, авиационная техника, беспилотный летательный аппарат. Анализ и выбор систем навигации робота для позиционирования...

Автономная система ориентирования беспилотного...

Эффективность выполнения поставленных задач зависит от точности позиционирования аппаратов в воздушном пространстве.

Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D.

Системы автоматического управления БПЛА | Статья в журнале...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D. GPS, прибор, формат, беспилотный летательный аппарат, автономная система ориентирования...

Общие принципы построения навигационных систем...

Целью статьи являлся анализ принципов построения систем навигации на примере систем для подвижных наземных объектов и определение направлений повышения качества работы данных систем. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения публикаций связанных с...

Концепция построения навигационных систем подвижных...

Эффективность работы навигационных систем для подвижных наземных объектов (ПНО) как известно зависит от набора датчиков, входящих в её состав и метода обработки информации, используемого для получения необходимых данных.

Применение геоинформационных систем в отраслях...

Эпоха открытия радиоволн существенно упростила задачу навигации и открыла новые перспективы

Воздушная навигация – прикладная наука о точном, надёжном и

Космическая навигация – управление движением космического летательного аппарата; включает в себя...

Системы навигации подвижных наземных объектов и их...

Целью статьи являлся анализ существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и сравнение их точностных характеристик. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения нескольких навигационных систем различных производителей и...

Похожие статьи

Автономная система ориентирования беспилотного...

Для решения задач мониторинга территорий и объектов, как в военной, так и в гражданской сфере применяются сверхлегкие беспилотные летательные аппараты. Главным критерием гарантии выполнения поставленной задачи является точность его позиционирования в...

Автономная система позиционирования в составе управления...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного... В системах управления, навигации и наведения наземных и воздушных роботов используются различные по конструкции и физическим принципам действия приборы: радары, сканеры, дальномеры...

Анализ и выбор систем навигации робота для...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного... GPS, формат, система, дальномер, эталонное изображение, трехмерная сцена, авиационная техника, беспилотный летательный аппарат. Анализ и выбор систем навигации робота для позиционирования...

Автономная система ориентирования беспилотного...

Эффективность выполнения поставленных задач зависит от точности позиционирования аппаратов в воздушном пространстве.

Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D.

Системы автоматического управления БПЛА | Статья в журнале...

Автономная система ориентирования беспилотного летательного аппарата: состав и схема функционирования в формате 3D. GPS, прибор, формат, беспилотный летательный аппарат, автономная система ориентирования...

Общие принципы построения навигационных систем...

Целью статьи являлся анализ принципов построения систем навигации на примере систем для подвижных наземных объектов и определение направлений повышения качества работы данных систем. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения публикаций связанных с...

Концепция построения навигационных систем подвижных...

Эффективность работы навигационных систем для подвижных наземных объектов (ПНО) как известно зависит от набора датчиков, входящих в её состав и метода обработки информации, используемого для получения необходимых данных.

Применение геоинформационных систем в отраслях...

Эпоха открытия радиоволн существенно упростила задачу навигации и открыла новые перспективы

Воздушная навигация – прикладная наука о точном, надёжном и

Космическая навигация – управление движением космического летательного аппарата; включает в себя...

Системы навигации подвижных наземных объектов и их...

Целью статьи являлся анализ существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и сравнение их точностных характеристик. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения нескольких навигационных систем различных производителей и...

Задать вопрос