Требования к системе управления оптико-электронными приборами беспилотных летательных аппаратов: постановка задачи исследования



Сформулирована постановка задачи системного инжиниринга в области проектирования и построения системы управления оптико-электронными приборами воздушных роботов — беспилотных летательных аппаратов. Выявлены основные условия и факторы, подлежащие учёту при определении состава, свойств, алгоритмов и схем функционирования автономной системы управления бортовыми приборами. Изложены требования и особенности выполнения задач поиска, обнаружения, целеуказания и сопровождения наземных объектов (целей). Определены типовые расчётные объекты и параметры для оценки архитектуры и возможностей применения системы управления разведывательных аппаратов при полётах в сложных городских условиях.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БЛА), автономная система навигации и ориентирования (АСНО), оптико-электронные приборы (ОЭП), система управления (СУ).

Современный этап развития науки и техники характеризуется активизацией разработок и массовым применением робототехнических комплексов. Они создаются как перспективные средства выполнения сложных, трудоёмких и опасных для человека задач.

Воздушные роботы — беспилотные летательные аппараты (БЛА) — применяются для мониторинга и охраны обширных территорий и важных объектов, обнаружения очагов и последствий стихийных бедствий, техногенных аварий и катастроф, пожаров и наводнений, для картографического и метеорологического обеспечения, контроля и анализа состояния нефте- и газопроводов, доставки малогабаритных грузов. Управление полётом беспилотных машин осуществляется по радиоканалу с использованием орбитальных средств глобальных систем спутниковой навигации и ориентации: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия).

Для решения задач в военной сфере создаются и производятся БЛА различного вида, класса и типа. Наиболее массовыми являются разведывательные, ударные и транспортные летающие роботы. К беспилотным комплексам военного назначения предъявляются жёсткие требования, обусловленные спецификой задач, условий и способов применения. На современных летательных аппаратах, прежде всего среднего и малого радиусов действия в качестве полезной нагрузки устанавливаются оптико-электронные приборы (ОЭП). Как правило, они крепятся на гиростабилизированной платформе (основании) и являются органами технического зрения для операторов воздушных робототехнических комплексов.

Системы навигации, позиционирования и радиокомандного управления полётом БЛА подвержены воздействию радиоэлектронных и электромагнитных помех, что обусловливает их уязвимость. Возникает необходимость разработки, создания и применения автономных систем навигации и ориентирования (АСНО) БЛА. Особую важность приобретает обеспечение полётов беспилотников в различных высотных эшелонах и сложных условиях: в горных районах, над труднодоступной местностью, днём и ночью, при противодействии противника средствами ПВО и радиоэлектронной борьбы, в городах с высотной застройкой, крупных промышленных населённых пунктах [1].

Требованиями назначения разведывательных БЛА являются: проведение воздушной разведки, рекогносцировки и картографирования местности (поверхности, пространства); поиск, обнаружение (идентификация) и сопровождение объектов интереса с определением их координат; целеуказание и контроль обстановки с передачей видеоизображений в наземный пункт управления в реальном масштабе времени [2].

В зарубежных и отечественных образцах и моделях БЛА оптико-электронные приборы (датчики, телекамеры, тепловизоры, дальномеры) и системы управления ими обеспечивают выполнение следующих функций:

– формирование сигналов телеметрии, отслеживание, контроль и установление режимов и параметров полёта;

– фиксирование аберраций и выработка команд-сигналов на устранение (парирование) ошибок, отклонений следования по заданному маршруту;

– создание и ориентирование полей зрения, зон визуального просмотра (контроля) окружающего пространства, подстилающей поверхности;

– картографирование, обнаружение, распознавание и захват на автоматическое сопровождение интересующих участков местности, водной поверхности и (или) контрастных объектов (целей);

– формирование телевизионных и (или) тепловизионных видеосигналов и их обработка с последующей передачей данных на наземный пункт управления;

– наведение и гиростабилизация линии визирования приборов в зависимости от условий и программы полёта, удержание в поле зрения или в перекрестии выбранной цели определённое время;

– вычисление координат движущихся и неподвижных наземных, надводных объектов (целей);

– целеуказание, в том числе лазерная подсветка обнаруженных целей для обеспечения стрельбы огневых комплексов с применением управляемых снарядов, ракет, бомб, торпед.

Оптико-электронные приборы, предназначенные для выполнения задач картографирования, размещаются на жестком неподвижном основании летательного аппарата, ориентируются перпендикулярно подстилающей поверхности. В результате их работы формируются массивы фотоснимков для последующего создания карт местности. Обработка снимков и информации производится с помощью специализированного программного обеспечения в наземной станции управления. Подобная схема построения функциональной системы реализована не только в комплексах с пилотируемой авиацией, но и в архитектуре оптической корреляционной системы DSMAC (Digital Scene Matching Area Correlation), которая используется в американских крылатых ракетах «Томагавк» [3].

Принцип действия системы DSMAC: автоматическое сравнение изображения местности, формируемого бортовым видеодатчиком, с предварительно загруженным в память носителя ортофотопланом, обнаружение опорных точек, выявление аберраций и внесении соответствующих поправок в инерциальную навигационную систему. В оптической корреляционной системе крылатой ракеты используется телевизионная камера с широким вытянутым полем зрения, ориентированным перпендикулярно подстилающей поверхности.

Сопряжение и сочетание функций разведывательных и картографических ОЭП может позиционироваться как конструктивно-технологическая предпосылка создания универсального автономного беспилотного комплекса, предназначенного для решения широкого спектра задач. Важную роль при проектировании и построении АСНО на основе объединения свойств и возможностей ОЭП будет играть выбор, комплектование и внедрение миниатюрной системы управления (СУ) бортовой аппаратурой, приводами и механизмами БЛА. Возникает необходимость исследования вариантов состава, характеристик и алгоритмов функционирования СУ ОЭП беспилотных летательных аппаратов.

Стержневым конструктивным элементом СУ ОЭП для обеспечения автономного функционирования БЛА является оптико-механический блок.

Конструктивно оптико-механический блок устанавливается на корпусе (фюзеляже) БЛА на горизонтальной поворотной платформе и состоит из двух частей:

1) неподвижная часть с тремя обзорными камерами, смещёнными последовательно относительно друг друга на угол 45°, формирующими единое «бесшовное» поле обзора для АСНО, картографирования и обнаружения объектов интереса;

2) вертикальный подвес с узкопольными телевизионным и тепловизионным каналами (камерами), съюстированными с лазерным целеуказателем-дальномером.

Внешний вид и приборный состав оптико-механического блока показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Оптико-механический блок БЛА

Особенности работы СУ ОЭП и новизна логической схемы взаимодействия между обзорными и узкопольными каналами заключаются в реализации следующих функций:

– обзорный канал формирует изображение местности, в котором производится обнаружение образов объектов интереса, хранящихся в энергонезависимой памяти ОЭП;

– координаты обнаруженного объекта интереса в растровой системе координат обзорного канала вычисляются и преобразуются в управляющие сигналы для приводов горизонтального и вертикального ориентирования, перемещения каналов с целью наведения узкопольного канала на объект;

– узкопольный канал формирует изображение участка местности, в котором подсистема видеообработки производит автоматическое распознавание (идентификацию) образов объектов интереса посредством сравнения с эталонными изображениями, хранящимися в энергонезависимой памяти ОЭП;

– распознанный (идентифицированный) объект захватывается подсистемой видеообработки на автоматическое сопровождение в узкопольном канале.

Согласно предложенной схеме функционирования СУ ОЭП решение задач сопровождения объектов и целеуказания полностью возлагается на узкопольные каналы, перемещаемые бортовыми приводами горизонтального и вертикального ориентирования. При этом обзорный канал постоянно направлен перпендикулярно вниз и может быть развёрнут по азимуту, что обеспечивает оптимальную ориентацию для горизонтального отслеживания, просмотра, ориентирования по подстилающей поверхности и получения отметок для картографирования.

В современных бортовых СУ БЛА оптические каналы располагаются в едином оптико-механическом блоке. Их оси сориентированы (выставлены) относительно друг друга параллельно. Переключение между широким и узким полями зрения производится достаточно просто. В предлагаемой же приборно-функциональной схеме обзорный канал формирует растровое поле с широкой зоной обзора, а узкопольный канал обеспечивает значительное увеличение какой-либо части поля зрения и, соответственно, просматриваемого участка зоны обзора. Это является новизной в проектировании состава полезной нагрузки разведывательных БЛА, в частности, архитектуры и компоновки СУ бортовыми ОЭП.

Анализ возможностей и способов применения разведывательных БЛА, прежде всего малоразмерных аппаратов коптерного типа, показал, что наиболее сложным процессом является совершение полётов в городской среде. Особенности полётов БЛА в городе: высокая скорость движения и маневрирование в воздухе, смена режимов горизонтального, вертикального перемещения и зависания, необходимость получения, обработки и передачи видеоизображений в форматах 2D и 3D; проявление таких ограничивающих факторов, как многоэтажные застройки, перекрытие полей зрения, многообразие наземных объектов (целей) различной конфигурации, наличие электромагнитных помех, низкое соотношение сигнал/шум, противодействие противника средствами радиоэлектронной борьбы и стрелковым оружием.

Классификационные признаки и параметры городских застроек, которые необходимо учитывать при формировании исходных данных для системного инжиниринга, моделирования и оценки эффективности функционирования СУ ОЭП БЛА, приведены в таблице 1 [4, 5, 6].

Таблица 1

Параметры элементов инфраструктуры городских застроек

Параметры	Тип застройки
	Малоэтажная	Средней этажности	Повышенной этажности	Многоэтажная	Высотная
Количество этажей	1–3	3–5	6–10	10–25	25–30
Высота домов, строений при расчётной высоте одного этажа 3,3 м), м	9,9	16,5	33	82,5	99
Общая ширина улицы, дороги, м	13,0	14,5	30,9	33,9	41,4
Ширина проезжей части, м	7,5	7,5	22,5	22,5	30,0
Количество полос движения автотранспорта	2,0	2,0	4,0–6,0	4,0–6,0	6,0–8,0
Ширина тротуара, м	2,25	3,0	3,0	4,5	4,5
Площадь зоны размещения мачт освещения, м2	0,5	0,5	1,2	1,2	1,2

Наименование и характеристики типовых (расчётных) объектов для прогнозирования и оценки эффективности применения АСНО БЛА и разведывательных аппаратов с СУ ОЭП, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Типовые расчётные объекты для моделирования полёта иоценки эффективности АСНО БЛА

Наименование типовых (расчётных) объектов	Размеры типовых объектов (длина × ширина × высота), м
Одиночный человек	0,5 × 0,3 × 1,8
Точечные вертикальные объекты (цели): амбразура в строении, окно здания, огневая точка в сооружении	0,1 × 1,5 × 1,4
Группа людей	3,0 × 2,0 × 1,8
Автотранспорт, орудие, пусковая установка	4,0 × 1,8 × 1,6
Грузовой автотранспорт, легкобронированная техника, малоразмерное плавательное средство	7,0 × 2,5 × 3,0
Бронированная техника: танк, боевая машина пехоты, бронетранспортёр, катер	7,0 × 3,0 × 2,5
Групповые, площадные объекты (цели): позиция подразделения, окоп, укрепление, блокпост, огневая позиция, установка противовоздушной обороны, автомобиль с радиоэлектронными средствами	10,0 × 3,0 × 2,0
Одиночное здание	80 × 12 × 15
Промышленные объекты (группа зданий)	50 × 12 × 10
Объекты городской инфраструктуры (электростанции, водоочистные сооружения, коммуникации, объекты связи и др.)	20 × 15 × 5

Для моделирования полётов БЛА и режимов функционирования СУ ОЭП вдоль магистралей и участков дорожных сетей, при формировании исходных данных и конкретизации условий поиска движущихся колонн и единиц автомобильного транспорта и техники протяжённость просматриваемого маршрута может выбираться по результатам анализа топографических карт или космических снимков. Длина участка может назначаться произвольно и составлять: от нескольких сот метров до нескольких тысяч километров. Ширина магистралей 15–20 м, шоссе 5–10 м, дорог 3–5 м. Заметим, что такие же значения протяжённости и ширины просматриваемых участков могут быть приняты при рассмотрении условий полёта БЛА вдоль железнодорожных магистралей и путей.

Известно, что геометрические размеры поля зрения, наблюдаемых участков местности и объектов интереса в растре бортовых оптических каналов ОЭП зависят от высоты полёта БЛА. Определение оптимальной высоты полёта БЛА является одной из частных исследовательских инженерно-технических задач. Решение задачи связано с выбором условий моделирования и установлением требований, предъявляемых к СУ ОЭП. Большое значение будет иметь прогнозирование точности и продолжительности процессов обнаружения и распознавания (идентификации) важных мобильных и стационарных объектов. Основное содержание многовариантных задач прогнозирования составляет дефиниция и формализация показателей географических, климатических, метеорологических условий, освещённости местности и контрастности объектов. При моделировании полётов БЛА в городской среде необходимо учитывать также массогабаритные ограничения полезной нагрузки летательных аппаратов, свойства и характеристики ОЭП, возможности по исключению зон перекрытия полей зрения, создаваемых элементами городской инфраструктуры. Требуется прогнозировать типовые условия совершения безаварийных полётов БЛА, то есть прокладку траекторий выше домов и между высотными зданиями (строениями), без столкновений с препятствиями и между собой. Всё это обусловливает потребность информационного анализа и выбора в качестве исходных данных характеристик городских строений, сооружений, объектов. Главная цель — составление рациональных маршрутов полёта БЛА в районах с плотной и высотной городской застройкой.

Критериями оценки эффективности функционирования СУ ОЭП могут служить точность следования БЛА по заданному маршруту, точность подлёта к объекту-ориентиру или к заданной цели, время реакции и надёжность работы управленческих каналов, количество управляемых аппаратов в группе и т. п. В качестве обобщённых показателей (критериев) могут выступать вероятности обнаружения, распознавания (идентификации) объектов и выполнения разведывательных задач за заданное время.

Естественно, что расширение функциональных возможностей разведывательных БЛА должно и может быть реализовано путём применения высокопроизводительной СУ, включающей с свой состав миниатюрный высокоскоростной аппаратно-программный вычислительный комплекс. Достижение требований автономности полёта БЛА, без постоянной связи с наземными станциями управления и (или) средствами космических навигационных систем тесно связано с разработками интеллектуальных блоков, приборно-алгоритмических устройств, обеспечивающих принятие решений в реальном времени. Это способствует разработке, проектированию и созданию беспилотных роботов с элементами искусственного интеллекта.

Таким образом, требования к системе управления ОЭП БЛА должны отражать задачи и прогнозируемые показатели эффективности их выполнения. Поставленная научно-исследовательская задача предполагает моделирование автономных полётов и разработку способов определения качественно-количественных характеристик объектов разведки и процессов их поиска, обнаружения, распознавания (идентификации), сопровождения. Решение задачи, относящейся к системному инжинирингу, заключается в разработке исходных данных, методик и алгоритмов расчётов, позволяющих определять показатели основных условий, факторов и критериев оценки эффективности выполнения программ полёта БЛА.

Разработка требований к автономной системе управления ОЭП перспективных воздушных роботов должна проводиться с учётом возможностей создания и внедрения высокопроизводительных и быстродействующих бортовых аппаратно-программных комплексов.

Литература:

1. Шведов П. Е., Темник Я. А., Исламов В. К., Хаметов Р. С. Приборы для автономной системы навигации и ориентирования беспилотных летательных аппаратов // Молодой ученый. — 2018. — № 46. — С. 60–65. — URL: https://moluch.ru/archive/232/53743/ (дата обращения: 06.10.2019).
2. «Орлан-30» идёт в войска? — URL: https://missiles2go.ru/2018/11/24/orlan-30/ (дата обращения: 06.10.2019).
3. США впервые представили за рубежом новейшую крылатую ракету Tomahawk Block IV — URL: https://tass.ru/mezhdunarodnaya-panorama/5711329 (дата обращения: 06.10.2019).
4. Классификация зданий по этажности, выбор этажности — основные факторы — URL: https://studopedia.org/6–21106.html (дата обращения: 06.10.2019).
5. Лестницы жилых и общественных зданий с высотой этажа 3,3 м — URL: http://gran-stroi.ru/lestneytca-dom-etazh-vysota-3300.php (дата обращения: 06.10.2019).
6. СП 42.13330.2011 Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. Актуализированная редакция СНиП 2.07.01–89* (с Поправкой и Изменением N 1) — URL: http://sniprf.ru/sp42–13330–2011 (дата обращения: 06.10.2019).