Алгоритм идентификации беспилотных летательных аппаратов средствами ПВО на основе закодированного изменения траектории их полета | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 февраля, печатный экземпляр отправим 10 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Информационные технологии

Опубликовано в Молодой учёный №46 (336) ноябрь 2020 г.

Дата публикации: 16.11.2020

Статья просмотрена: 9 раз

Библиографическое описание:

Турищев, А. В. Алгоритм идентификации беспилотных летательных аппаратов средствами ПВО на основе закодированного изменения траектории их полета / А. В. Турищев, Р. С. Хаметов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 46 (336). — С. 12-14. — URL: https://moluch.ru/archive/336/75171/ (дата обращения: 23.01.2021).



В работе предложен подход к идентификации беспилотных летательных аппаратов в части государственной принадлежности путем изменения их траектории движения по закодированному закону без использования дополнительно размещаемой аппаратуры ответчика для наземного радиозапросчика в радиолокационных станциях средств противовоздушной обороны.

Ключевые слова : идентификация беспилотного летательного аппарата, управление воздушным движением, маршрут полета, беспилотный летательный аппарат, театр военных действий, противовоздушная оборона, наземный радиозапросчик.

При организации управления воздушным движением (УВД) возникает ряд технических и законодательных проблем для беспилотных летательных аппаратов (БЛА), которые в настоящее время решены в полной мере только для пилотируемой авиации. Современные технологии позволяют обеспечить возможность одновременного управления группой БЛА под наблюдением одного или нескольких центров управления, но для БЛА отсутствует единый стандарт УВД в РФ и отсутствует алгоритм идентификации их государственной принадлежности что необходимо при проведении войсковых операций и выявлении нарушений или воздушного пространства в приграничных районах.

Резкий рост развития БЛА в 2000-х годах связан, в первую очередь, со снижением стоимости на микроэлектронику и бурным развитием сигнальных микропроцессоров. На первых парах БЛА «учились» летать под управлением одного оператора. Отрабатывалась технология управления, стабилизации движения, процессов взлета и посадки и т. д. На следующем втором этапе приступили к решению технических задач управления группой БЛА и исключения коллизий, связанных со столкновением как между БЛА, так и БЛА с пилотируемой авиацией, ЭМС, геолокацией и т. д. Третий этап развития БЛА (перспективный) связан с решением вопросов взаимодействия с существующими структурами УВД и войсками противовоздушной обороны (ПВО).

Основная часть

В настоящее время на втором этапе развития БЛА широко внедряются не только в коммерческую, но и военную область, включая разведку, пограничный патруль, фото/видео сьемку окружающей среды, поисковые операции и мониторинг объектов [1, 2].

В гражданской и коммерческой сфере по опыту пилотируемой авиации рано или поздно будет принят общемировой стандарт, регламентирующий порядок организации УВД БЛА, чего нельзя сказать про военную область применения БЛА.

Опыт и анализ современных конфликтов показывает о высокой эффективности применения БЛА на театре военных действий (ТВД) в комплексе со средствами воздушно-космического нападения (СКВН) [3], что ведет к неизбежному бурному развитии БЛА в военной области.

Применение БЛА на ТВД вызывает необходимость рассмотрения задач по обеспечению ответных мер войсковых группировок также с привлечением БЛА, которые будут возвращаться на стартовые позиции через обороняемую зону ПВО и не должны обстреливаться.

Стоит, однако, отметить, что при разработке существующих систем ПВО и инфраструктуры, задействованной в системе УВД, не предусматривалось перспектива взаимодействия с БЛА. Другими словами, требования к современным системам ПВО с появлением нового класса летательных аппаратов должны быть существенно доработаны.

В ряде научных публикаций рассматривается проблематика, связанная с обнаружением и поражением вражеских БЛА [4] или преодолением БЛА группировок вражеского ПВО [5], а также вопросы, связанные только с УВД. В настоящей статье формулируются требования к системе, состоящей из действующих систем ПВО и БЛА, с целью получения новых качеств при организации их взаимодействия.

Рассмотрим основные требования и функции систем ПВО:

  1. Обнаружение воздушных целей. В требованиях по обнаружению воздушных целей также указывается класс и характеристики воздушных целей. Одной из функций, вытекающей из требований, является обеспечение заданных точностных характеристик определения координат воздушной цели и ее составляющих скорости [6];
  2. Идентификация воздушной цели. Под требованиями по идентификации подразумевается определение класса цели и ее государственной принадлежности. Функцией системы ПВО выполнения указанного требования является, в частности функция запроса государственной принадлежности цели. Выполнение требования производится за счет применения специальной аппаратуры наземного радиозапросчика (НРЗ) [6].
  3. Поражение воздушной цели. Из требования по поражению воздушной цели следуют функции, связанные с пуском и наведением средства поражения воздушной цели, например, зенитной управляемой ракеты (ЗУР) [6].

Одно из основных требований к системе БЛА является доставка полезной нагрузки в заданную точку пространства. Стоит отметить, что под системой БЛА подразумевается не только отдельный БЛА, но и вся инфраструктура, задействованная при подготовке к пуску, управлении и посадке БЛА.

Полезная нагрузка зависит от класса и назначения БЛА. Это может быть видеокамера, распылитель удобрения или авиационная бомба. В требованиях по доставке полезной нагрузки указывают ее массу и дальность доставки или продолжительность полета. Основными функциями БЛА является прием и отработка команд управления (для пилотируемых оператором БЛА), определение своего месторасположения и т. д.

При сопоставлении требований и функций ПВО и БЛА выявляется один очень существенный недостаток БЛА — это отсутствие аппаратуры, обеспечивающей ответ на запрос о его государственной принадлежности. Отсутствие ответчика НРЗ на БЛА приводит к проблеме, связанной с возможным обстрелом собственных БЛА, которые летают над территорией, обороняемой системой ПВО.

В пилотируемой авиации для исключения ее обстрела собственными системами ПВО применяется специализированная аппаратура, размещаемая на летательном аппарате, состоящая из систем антенн, аппаратуры, обеспечивающей шифрование ответного сообщения для НРЗ. Подобный подход для применения в БЛА затруднителен и связан, в первую очередь, с конструктивными ограничениями, поскольку применение дополнительной аппаратуры приводит к снижению массы полезной нагрузки или требует прироста мощности двигателей, а также выделения дополнительной электроэнергии на борту БЛА.

Второй важный аспект — это нарушение скрытности БЛА при излучении ответных радиолокационных сигналов, что недопустимо для автономных разведывательных БЛА. Кроме этого, стоит отметить, что количество выделенных каналов в системе НРЗ ограничено и не рассчитано на массовое применение БЛА. Создание же специализированной системы НРЗ с выделением дополнительных частот потребует разработки специальной инфраструктуры для приема и обработки сигналов, создание отдельных пунктов УВД или доработку существующих РЛС из состава систем ПВО, что в свою очередь требует существенных материальных и временных затрат.

Другими словами, возникает техническое противоречие, с одной стороны, БЛА должен иметь возможность передавать данные о своей государственной принадлежности, с другой стороны, установка дополнительной аппаратуры для передачи данных неприемлема.

С учетом отмеченных соображений разработка алгоритма по идентификации БЛА должна отвечать следующим требованиям:

  1. идентификация БЛА должна функционировать без создания дополнительного оборудования для БЛА или РЛС;
  2. алгоритм идентификации не должен иметь ограничения по количеству участников воздушного движения;
  3. при идентификации должно быть предусмотрено кодирование данных, обеспечивающее защиту от ложной идентификации.

Для разрешения указанного выше технического противоречия, при разработке алгоритма идентификации, можно рассмотреть применение сетей сотовой связи или ответчиков в оптическом диапазоне волн, однако недостатком такой схемы работы является ограниченный радиус действия таких систем и необходимость создания специальной аппаратуры на борту БЛА, что не удовлетворяет первому требованию.

Одним из возможных путей решения может стать выделение специальных воздушных эшелонов по аналогии с пилотируемой гражданской авиацией. При наличии маршрута и расписания прохода БЛА можно идентифицировать их. Но при использовании подобного метода для БЛА военного назначения возможно повторение траектории полета вражеским БЛА в выделенном эшелоне, что не удовлетворяет третьему требованию.

Недостатком выделения эшелона также является невозможность изменения маршрута следования БЛА в зависимости от изменения боевой обстановки, и смена маршрута в таком случае может идентифицироваться средствами ПВО как «чужой», что приведет к потере собственного БЛА и расходу боекомплекта.

Может быть рассмотрено решение на основе данных РЛС при сопровождении БЛА. При входе БЛА в зону действия ПВО происходит облучение БЛА зондирующим импульсом РЛС. Отраженный сигнал поступает на вход приемного устройства РЛС. После обработки радиолокационного сигнала в РЛС формируется информация о координатах, скорости и уровне отраженного сигнала от БЛА. Зондирующие импульсы и отраженный сигнал от поверхности БЛА можно рассматривать как канал связи между РЛС и БЛА. Требуется только каким-то способом заложить полезную информацию (признак «свой») в этот канал связи.

В качестве ответчика на борту БЛА можно применить уголковый отражатель (ретрорефлектор), которые обеспечивал бы изменение уровня отраженного сигнала по известному закону, реализованному путем последовательного механического закрытия или открытия уголкового отражателя. Но эта конструкция не отвечает сформулированному первому требованию, а также на фоне флуктуирующего отраженного радиолокационного сигнала выделить модулированную информацию будет затруднительно.

В качестве идентификатора на борту БЛА можно использовать изменение по определенному закону скорости движения. РЛС при обработке радиолокационной информации, используя производные скорости движения цели по трем координатам, может выделить закон изменения скорости и сравнить с имеющимися в базе данных. При отождествлении полученного закона изменения скорости с имеющимся в базе данных РЛС присваивает БЛА признак «свой».

Недостатком такой схемы работы является трудности обеспечения высокой точности определения скорости воздушных целей РЛС. Точности связаны с характеристиками РЛС и меняются в зависимости от типа РЛС. Кроме того, существенным недостатком является невозможность БЛА мгновенно и циклично менять скорость движения, что накладывает определённые требования на мощность двигателя.

В качестве ответчика на борту БЛА можно использовать изменение по определенному закону координат движения. Предложенная схема работы имеет схожие недостатки, как и при изменении скорости движения. Чем дальше БЛА находится от РЛС, тем хуже точность определения координат, а также то, что для передачи сообщения в виде изменения координат по определенному закону необходимо будет осуществлять манёвр от намеченного маршрута, чтобы РЛС смогла выделить изменения в траектории движения.

Таким образом, на первый взгляд, не один из предложенных алгоритмов передачи сообщения по данным РЛС не может быть реализован.

Основная задача ПВО — это прикрытие объектов от воздушного нападения. БЛА может пролетать на большом удалении от группировки ПВО и нет необходимости определения его государственной принадлежности. Актуальной задачей ее определения является случай подлета БЛА к границам охраняемого объекта или при попытках пересечь его. В таких условиях метод передачи признака о государственной принадлежности путем изменения координат движения по известному закону может быть реализован.

Для решения задачи идентификации БЛА с учетом сформулированных требований предлагается следующий алгоритм работы.

Перед полетом БЛА регистрируется в специальной базе данных, после регистрации БЛА получает уникальный код. В бортовом вычислительном устройстве БЛА при выполнении полетного задания происходит декодирование алгоритма траектории полета с учетом уникального кода. В результате декодировки бортовое вычислительное устройство корректирует траекторию полета БЛА по декодированному закону. При этом процесс отклонения и возврат БЛА к намеченному маршруту происходит в определенный момент времени, при этом периодичность и закон отклонения каждый раз меняется.

В зоне действия группировки ПВО все РЛС с возможностью обстрела БЛА должны иметь доступ к специальной базе данных о зарегистрированных БЛА и уникальный ключ каждого из них. В вычислительной системе РЛС происходит декодирование алгоритма траектории полета всех зарегистрированных в базе данных БЛА с учетом их уникальных кодов. В РЛС формируются метки времени по закодированному закону. При наступлении события появления метки времени в РЛС происходит анализ траектории полета имеющихся на сопровождении целей. В том случае, если траектория полета БЛА изменилась согласно декодированному закону в соответствии с наступившим моментов времени, БЛА присваивается признак «свой» в противном случаи присваивается признак «чужой».

Таким образом, предложенный алгоритм идентификации БЛА полностью соответствует ранее сформулированным требованиям.

Конкретизация алгоритма кодирования, декодирования закона изменения координат и формирования меток времени требует отдельного исследования.

Недостатком предложенного подхода к построению алгоритма идентификации государственной принадлежности БЛА является необходимость использования канала связи для загрузки базы данных и необходимость защиты базы данных от несанкционированного доступа, что решается, при обеспечении регулярной смены уникального кода БЛА.

Литература:

  1. Ballve M 2015 The Drones Report: Market Forecasts, Regulatory Barriers, Top Vendors, And Leading Commercial Application
  2. Lin Y and Saripalli S 2013 American Helicopter Society 69th Annual Forum (Arizona)
  3. Просвирин С. А., Морозов Н. И., Применение потенциальным противником высокоточных средств поражения по аэродромам базирования оперативно тактической авиации. — «Воздушно-космические силы. Теория и практика» | № 10, июнь 2019–20 с.
  4. Макаренко С. И., Тимошенко А. В., Васильченко А. С. Анализ средств и способов противодействия беспилотным летательным аппаратам. Часть 1. Беспилотный летательный аппарат как объект обнаружения и поражения // Системы управления, связи и безопасности. 2020. № 1. С. 109–146. DOI: 10.24411/2410–9916–2020–10105
  5. Васильченко А. С., Иванов М. С., Колмыков Г. Н. Формирование маршрутов полета беспилотных летательных аппаратов с учетом местоположения средств противовоздушной обороны и радиоэлектронного подавления // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 4. С. 403–420. DOI: 10.24411/2410–9916–2019–10416.
  6. Лузан А. Г. Противоракетная и противовоздушная оборона на театрах военных действий: история, реалии и перспективы // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 4. С. 76–86.
Основные термины (генерируются автоматически): государственная принадлежность, требование, отраженный сигнал, пилотируемая авиация, полезная нагрузка, РЛС, военная область, воздушное движение, наземный радиозапросчик, противовоздушная оборона.


Ключевые слова

беспилотный летательный аппарат, противовоздушная оборона, идентификация беспилотного летательного аппарата, управление воздушным движением, маршрут полета, театр военных действий, наземный радиозапросчик
Задать вопрос