Содержание к диссертации
Введение
1. Основные проблемы обеспечения безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве 17
1.1. Области использования и задачи, выполняемые БПЛА в интересах рыночной экономики 17
1.2. Требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве 19
1.3. Классификация беспилотных летательных аппаратов 23
1.4. Методы управления БПЛА 27
Выводы по первому разделу 35
2. Методология наблюдения и управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве 37
2.1 Техническая реализация принципов автоматического зависимого наблюдения в вещательном режиме 37
2.2 Обеспечение целостности при использовании АЗН 43
2.3. Проблемы безопасности полетов 54
2.4. Теоретическое обоснование использования АЗН 58
2.5. Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА 62
2.5.1. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в горизонтальной плоскости 62
2.5.2. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в вертикальной плоскости 69
Выводы по второму разделу 73
3. Построение системы управления и навигации для БПЛА 74
3.1. Разработка состава оборудования системы управления и навигации для БПЛА 74
3.2. Основные принципы функционирования системы управления БПЛА 83
3.3. Применение линии передачи данных АЗН-В режима 4 для управления БПЛА в общем воздушном пространстве 88
3.4. Требования по назначению к модулю автопилота при управлении БПЛА 99
Выводы по третьему разделу 100
4. Комплекс контроля и управления БПЛА 102
4.1. Назначение, функции и состав комплекса 102
4.2. Организация контроля и управления БПЛА 106
4.3. Назначение, состав и работа бортовой аппаратуры контроля и управления БПЛА 113
4.4. Структура интерфейса оператора комплекса контроля и управления БПЛА 119
Выводы по четвертому разделу 138
Заключение 139
Список используемой литературы 142
Приложение 1 152
Приложение 2 154
Приложение 3 155
- Требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве
- Обеспечение целостности при использовании АЗН
- Основные принципы функционирования системы управления БПЛА
- Организация контроля и управления БПЛА
Введение к работе
Важнейшей задачей воздушного транспорта является обеспечение транспортной доступности в отдаленных регионах страны, что необходимо для их экономического и социального развития. Эта задача возложена на региональную коммерческую гражданскую авиацию, которая должна обслуживать наиболее социально значимые сегменты спроса - местные авиаперевозки, авиационные работы в интересах отраслей экономики, а также сферу некоммерческого использования гражданской авиации - авиации общего назначения (АОН), включающую в себя, в том числе, любительскую и деловую авиацию.
Сегодня приоритетной задачей региональной авиации является обеспечение сообщения между центрами регионов и отдаленными населенными пунктами в регионах Сибири и Крайнего Севера, где самолет является основным, часто единственным средством обеспечения транспортной доступности. В обеспечении материальными ресурсами и создании экспортного сырьевого потенциала России эти регионы имеют первостепенное значение.
Совершенно очевидно, что интерес, который в последнее время проявляют организации ТЭК к использованию БПЛА, закономерен [6 - 12]. Имея в своей структуре сотни тысяч километров трубопроводов, которые довольно слабо охраняются, а зачастую и вообще не охраняются, предприятия ТЭК напрямую заинтересованы в использовании беспилотных систем. Простая экономическая выгода подталкивает предприятия ТЭК к принятию решений по использованию БПЛА, и этот процесс, находящийся в данный момент в начальной стадии, будет неуклонно развиваться.
С помощью беспилотных систем можно контролировать как техническое состояние объектов, так и их безопасность, функционирование, притом, что контролируемые объекты могут находиться на большом удалении (протяженные объекты).
Однако применение БПЛА в гражданском секторе в настоящее время находится в ожидании решения некоторых технических и организационных проблем, без чего невозможно стабильное использование БПЛА.
Основные проблемы связаны с использованием воздушного пространства, выделением частотного диапазона для управления БПЛА и передачей информации с борта на землю и наоборот.
Также следует отметить, что основной вопрос в сфере применения БПЛА — это получение беспилотными аппаратами статуса воздушного судна (ВС).
БПЛА, не являясь ВС, не подлежат регистрации в реестре ВС и не имеют Свидетельства о регистрации и годности к использованию. Им невозможно, да и не нужно получать разрешение на использование воздушного пространства. А это уже чревато самыми серьезными последствиями. Аппарат, способный летать на высоте до 4 км со скоростью до 250 км/час, массой около 100 кг, может подняться в воздух без разрешения на использование воздушного пространства, ведь по классификации - это радиоуправляемая модель. В этой ситуации скорее нужны не запретительные меры, а организация разрешительных мероприятий.
В рамках действующего законодательства есть вид авиации, в котором «беспилотники» могут существовать на законном основании. Это -экспериментальная авиация. По этому пути идут и другие страны (США, Европа). В этой отрасли есть многолетний опыт использования летательных аппаратов, а также возможность контроля за техническим состоянием БПЛА и многое другое. Получив статус ВС в рамках экспериментальной авиации, БПЛА смогут использовать воздушное пространство по существующим правилам. Конечно, все БПЛА должны быть застрахованы от ущерба третьим лицам.
БПЛА должны иметь на борту транспондеры, отвечающие всем требованиям ИКАО в этой области. Те БПЛА, которые не способны нести аппаратуру, могут летать только в специально отведенных районах по предварительным заявкам с большим сроком уведомления.
Цель всех организаций, участвующих в регламентации использования БПЛА в воздушном пространстве России, состоит в том, чтобы достигнуть уровня безопасности полетов любого класса БПЛА, эквивалентного уровню безопасности полетов самолетов. Для этой цели необходимо разработать технические требования к БПЛА, которые бы способствовали выполнению этой задачи.
БПЛА в последние годы активно применялись военными, поэтому наработанный ими опыт эксплуатации БПЛА в различных условиях отбрасывать ни в коем случае нельзя. Наоборот, нужно привлечь военных к выработке технических требований к БПЛА с учетом того, что цели и задачи применения беспилотных аппаратов в гражданском секторе некоторым образом отличаются от задач, решаемых военными.
Таким образом, можно отметить тот факт, что использование БПЛА в воздушном пространстве России не только возможно, но и необходимо. Полеты БПЛА возможны при условии выполнения требований (выработанных) для получения Свидетельств о летной годности и регистрации. Это можно сделать в рамках экспериментальной авиации.
Вместо этого на практике существует следующая ситуация. Большинство образцов беспилотных летательных аппаратов создаются в инициативном порядке, с использованием доступных комплектующих. Говорить об унификации и стандартизации не приходится. Как следствие, в России эксплуатируются десятки (если не сотни) разнотипных аппаратов, наиболее распространенные семейства которых насчитывают по несколько десятков машин. Говорить же о создании полноценной системы, которая бы включала в себя не только летательные аппараты, но и мощную наземную инфраструктуру, могут только единичные разработчики и производители.
Отсутствие законодательной и нормативной базы в области беспилотной авиации создает разработчикам и потенциальным эксплуатантам серьезные проблемы. Даже в оборонной области проектные работы регламентируются общетехническими требованиями 20-летней давности, а для проектирования коммерческих БПЛА никакой нормативной базы не существует вовсе. В настоящее время в правительстве идет работа над программой возрождения малой авиации, в которую составной частью войдет и беспилотная авиация. В условиях, когда рынок имеет большой потенциал для роста, необходимо консолидировать усилия разработчиков, заказчиков и всех ветвей власти.
В настоящее время контролю уровня безопасности полетов придается исключительное значение. Это вызвано ростом объемов воздушных перевозок и тяжестью последствия воздушных катастроф. Для повышения эффективности функционирования системы управления воздушным движением (УВД) требуется оптимизировать существующие функции контроля за соблюдаемым уровнем безопасности полетов. Для этого, используя современные методы обработки информации, нужно иметь возможность оперативно контролировать текущий уровень безопасности полетов.
При вычислении оперативной оценки уровня безопасности полетов должна использоваться наиболее полная информация о движении ВС (в том числе и БПЛА) в текущий момент времени и структуре контролируемого воздушного пространства. При этом выделяют несколько задач: оценка уровня безопасности при полетах на трассах, в зоне подхода, при взлете и посадке ВС, руление в зоне аэродрома. Задача разработки практически приемлемых схем и маневров, разрешающих потенциально конфликтную ситуацию пары воздушных судов, является крайне важной для обеспечения безопасности воздушного движения.
Следует отметить, что наблюдение за воздушными судами, осуществляющими полет в национальном воздушном пространстве, является составной частью существующей системы управления воздушным движением
России. В настоящее время технология наблюдения основывается на использовании первичного и вторичного радиолокаторов. Хотя эта технология и сохранит свое значение для УВД в обозримом будущем, в ИКАО рассматриваются новые, обеспечивающие наблюдение, технологии, применение которых за рубежом уже частично началось, несмотря на отсутствие единого взгляда на концепцию и ее конкретную техническую реализацию. В России разработана эксплуатационная концепция одной из таких новых технологий, использование которой, как видится, могло бы обеспечить наиболее рациональный для наших условий путь перехода к будущей системе CNS/ATM. Данная технология основывается на сочетании надежных и точных бортовых навигационных систем и надежной системы связи по линии передачи данных (ЛПД), которая транслирует полученную на борту информацию о координатах воздушного судна всем заинтересованным в ее использовании потребителям. Упомянутая технология получила название радиовещательного автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В).
Применение АЗН-В не будет ограничиваться традиционными функциями, ассоциирующимися с наземными радиолокационными системами, а обеспечит новые возможности, реализуемые как на борту воздушного судна, так и на автоматизированных рабочих местах диспетчеров УВД. АЗН-В объединяет, фактически, две технологии: на основе ЛПД «воздух-земля» и ЛПД «воздух-воздух». Эксплуатационная концепция представляет сценарии АЗН-В, которые будут реализовываться на эволюционной основе при принятии- решения о развертывании радиовещательного АЗН в России. Эксплуатационная концепция не акцентирует внимание на выборе или определении технических деталей реализации АЗН-В, а нацелена на обеспечение будущих эксплуатационных потребностей, а также плавного экономически выгодного перехода от существующей системы наблюдения радиолокационного типа к перспективной, на базе АЗН-В.
Таким- образом, требования нормативно-правовых документов, проводимые исследования в области управления БПЛА при организации воздушного движения показывают, что в настоящее время существуют противоречия между: возросшим объемом задач для БПЛА, решаемых в интересах народного хозяйства России, и отсутствием нормативно-законодательной базы для их использования; уровнем потенциальных возможностей БПЛА дальнего радиуса действия и запретом их использования в общем воздушном пространстве; требованием поддержания паритета с уровнем развития БПЛА в индустриально и технологически развитых государствах и современным состоянием разработки, унификации, стандартизации «беспилотников» в гражданской авиации России; отсутствием в настоящее время трудов, носящих системный характер, направленных на создание системы правил использования БПЛА в общем воздушном пространстве, и насущной потребностью в этом; ростом производительности и надежности применяемых технических средств (в частности систем АЗН) и отсутствием тенденции их использования при управлении БПЛА.
Изложенные выше частные противоречия позволяют сформулировать главное противоречие, которое заключается в том, что существующий уровень развития методов управления БПЛА на основе вещательного автоматического зависимого наблюдения позволяет обеспечить координацию полетов БПЛА, но при этом отсутствует нормативно-правовая база для их использования в общем воздушном пространстве.
Сформулированные частные противоречия и их обобщение позволяют уяснить, что без их устранения невозможно дальнейшее полноценное использование БПЛА, а, следовательно, и развитие гражданской авиации России.
Сложившееся положение в области управления БПЛА, изложенные выше противоречия и предопределили актуальность темы диссертации, направленной на разработку методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.
Объектом исследования в работе является управление воздушным движением беспилотных летательных аппаратов.
Предметом исследований - методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве путем использования новых информационных технологий сбора, обработки и передачи навигационных данных и команд управления.
Цель диссертационной работы: повышение безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве на основе применения новых методов их управления с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследований: - Проведен анализ технических характеристик беспилотных летательных аппаратов и областей их применения для решения задач народного хозяйства страны. - Систематизированы требования к методам управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве, обеспечивающим безопасность полетов всех участников воздушного движения. - Разработаны алгоритмы разрешения ПКС между БПЛА и ВС в общем воздушном пространстве. - Исследована проблема информационной безопасности АЗН как проблема целостности и конфиденциальности передачи данных. - Разработан алгоритм контроля достоверности передаваемых данных. - Разработана структура и определены функции наземного и бортового оборудования для управления БПЛА.
Методы исследования. Расчетно-аналитическое описание исследований основано на общей теории управления и общей теории динамических систем, на применении теории вероятностей, общей теории статистики, теории надежности, теории конечных автоматов и алгоритмов, теории оптимальных решений, методов математического анализа и программирования.
Основными исходными данными для проведения исследований являются: соответствующие положения нормативно-правовых документов; протоколы государственных испытаний сети вещательного автоматического зависимого наблюдения; результаты выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Достоверность результатов исследований подтверждается результатами экспериментальных проверок предлагаемых способов и методов управления БПЛА.
В качестве информационной базы исследований использовались рекомендации документов ИКАО и Евроконтроля, нормативные документы МТ РФ и ФАВТ.
Структура диссертации и краткая аннотация'каждого раздела.
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 93-х наименований, 3-х приложений.
В первом разделе рассмотрены основные проблемы обеспечения безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве. Определены основные области использования и задачи, выполняемые беспилотными летательными аппаратами в интересах рыночной экономики страны. Сформулированы основные требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве, проведена классификация БПЛА и определены основные методы управления БПЛА.
Во втором разделе разработана методология наблюдения и управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве. Предложен вариант технической реализации автоматического зависимого наблюдения для управления БПЛА. Рассмотрены вопросы обеспечения целостности системы управления БПЛА при использовании АЗН, а также проблемы безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов. Приведено техническое обоснование использования сети АЗН для управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве. Разработаны методы и алгоритмы предотвращения ПКС с участием БПЛА.
Третий раздел посвящен вопросам построения системы управления и навигации для БПЛА. Предложен вариант состава оборудования системы управления и навигации для БПЛА, определены основные принципы функционирования этой системы. Рассмотрены вопросы применения линии передачи данных АЗН-В для управления БПЛА в общем воздушном пространстве, а также сформулированы требования по назначению к модулю автопилота при управлении движением БПЛА.
В четвертом разделе предложен вариант комплекса контроля и управления движением БПЛА, определены функции и состав этого комплекса. Рассмотрены вопросы организации контроля и управления движением БПЛА, предложен состав бортовой аппаратуры контроля и управления движением БПЛА, а также вариант интерфейса оператора комплекса контроля и управления движением БПЛА.
Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты: - Разработана методология наблюдения и управления движением БПЛА на принципах вещательного автоматического зависимого наблюдения, позволяющая использовать БПЛА не в специально отведенных для них зонах полетов, а в общем воздушном пространстве. - Разработан метод управления беспилотным летающим аппаратом, отличающийся тем, что в пункте управления по данным о текущих координатах и параметрах движения ВС формируется отображение воздушной обстановки для всех участников воздушного движения, рассчитываются прогнозируемые траектории их полета, вырабатываются и транслируются в общий радиоканал соответствующие команды управления движением БПЛА. - Разработан алгоритм локализации источников ложных сообщений, который обеспечивает достоверность приема/передачи информации при использовании АЗН-В.
4 - Разработаны алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА и других ВС, отличающиеся тем, что автоматически определяются критерии их сближения при нарушении интервалов безопасного эшелонирования, причем, при обнаружении прогноза опасного сближения вырабатываются команды маневра уклонения БПЛА.
Теоретическая значимость диссертации определяется:
Новизной методологии наблюдения и управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве, предложенными подходами к обеспечению целостности системы наблюдения и управления движением БПЛА при использовании АЗН-В, а также к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве.
Новизной алгоритмов, обеспечивающих функцию контроля достоверности передаваемых данных о траектории движении БПЛА при использовании АЗН-В.
Разработанными алгоритмами- предотвращения ПКС с участием БПЛА и других ВС.
Практическая ценность научных результатов заключается в том, что на основе предложенных подходов разработан способ управления беспилотным летательным аппаратом и устройство для его реализации, обеспечивающие как управление полетом, так и передачу команд управления для выполнения программы полета.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
Методология наблюдения и управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве.
Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА и других ВС.
Алгоритмы, обеспечивающие функцию контроля достоверности передаваемых данных о траектории движении БПЛА при использовании АЗН-В.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПб ГУГА и были использованы при разработке системы радиоуправления и передачи телеметрической информации воздушной мишени «Дань». Имеются Акты внедрения (Приложение 3).
Значительная часть практических рекомендаций диссертационного исследования использованы при разработке Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации. Утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 11 марта 2010. №138, в подготовке которых участвовал автор.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и отраслевых научно-практических конференциях и семинарах по проблемам использования АЗН-В в обеспечении безопасности полетов в общем воздушном пространстве:
Европейское и Североатлантическое бюро ИКАО. Европейская группа аэронавигационного планирования. Париж EANPG/49, ноябрь 2007г.;
Европейское и Североатлантическое бюро ИКАО. Европейская группа аэронавигационного планирования. Париж EANPG/50, ноябрь 2008г.;
Форум деловой авиации, МАКС, Москва, август 2009г.;
Глобальный форум по организации ВД по вопросам гражданско-военного сотрудничества, ИКАО, октябрь 2009 г.;
Международный форум и выставка «Беспилотные многоцелевые комплексы - 2009», Москва, январь 2009г.;
Стратегия внедрения автоматического зависимого наблюдения в России. Гос НИИАН, Москва, октябрь 2009 г.;
Проблемы внедрения систем АЗН при организации воздушного движения' в РФ. Аэронавигационный совет (коллегия) Федеральной аэронавигационной службы. Москва, октябрь 2009г.;
Европейское и Североатлантическое бюро ИКАО. Европейская группа аэронавигационного планирования. Париж EANPG/51, ноябрь 2009г.;
Правительственная комиссия по транспорту и связи. Рассмотрение ФП ИВП. Москва, ноябрь 2009г.;
Концепции и технологии организации воздушного движения. Гос
НИИАН, Москва (г. Жуковский), август 2009 г.;
Форум «Технологии в машиностроении -2010». Москва (г. Жуковский), транспортно-выставочный комплекс «Россия» ТВМ-2010, июнь-июль 2010г.;
Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященных памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. Санкт-Петербург. Университет ГА, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 г.
Публикация
По материалам диссертационных исследований автором как самостоятельно, так и совместно с другими авторами опубликованы 14 печатных работ, в том числе 4 печатные работы в научных журналах. Материалы выполненных исследований опубликованы в ведомственных научно-технических изданиях. При непосредственном участии автора был изобретен «Способ управления беспилотным летательным аппаратом и устройство для его реализации» (патент на изобретение № 2390815) [33] (Приложение 2).
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 93-х наименований, 3-х приложений. Всего 156 страниц текста.
Требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве
Широкое применение БПЛА в гражданском секторе экономики невозможно без решения ряда технических, нормативно-законодательных и организационных проблем. В настоящее время вопросу организации полетов БПЛА в общем воздушном пространстве уделяется большое внимание. В Евроконтроле, FAA, RTCA, EUROCAE идут дискуссии, на базе каких принципов и технических решений должны организовываться такие полеты, но общепризнано, что решения пока еще нет [22-24].
В Чикагской конвенции в Приложение 11 «Обслуживание воздушного движения» включены стандарты, относящиеся к координации деятельности, создающей потенциальную опасность для гражданских воздушных судов. При этом стандартом 2.17.1 устанавливается, что «приготовления к деятельности, создающей потенциальную опасность для гражданских воздушных судов над территорией государств или открытым морем, координируются с соответствующими полномочными органами обслуживания воздушного движения». Стандартом 2.17.2 регламентируется, что такая координация «имеет целью обеспечить оптимальные условия, которые позволят избежать создания опасностей для гражданских воздушных судов и свести к минимуму помехи нормальному производству полетов таких воздушных судов» [15, 26, 29]. Следовательно, обеспечение безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве является сферой деятельности ИКАО.
Существуют альтернативные концепции интеграции БПЛА в единое воздушное пространство. Одна предполагает распространение на БПЛА всех существующих норм, включая, например, оснащение системами опознавания и предупреждения столкновений. Вторая концепция предлагает выделять для полетов БПЛА специальные зоны.
Для выработки рекомендаций по организации эксплуатации БПЛА государственными органами и независимыми организациями создан ряд комиссий и комитетов [23, 24, 30]: специальный комитет SC-203 RTCA; консультативная рабочая группа WG-73 EUROCAE; группа по изучению беспилотных летательных систем (UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS STUDY GROUP - UASSG). Секретариат ИКАО информировал о намерении использовать материалы работы этих комитетов и групп для формирования позиции ИКАО в определении правил, процедур и требований в отношении безопасной интеграции БПЛА в инфраструктуру единого воздушного пространства. Считается [15, 22], что требования к процессу эксплуатации БПЛА в общем воздушном пространстве должны отвечать следующим основным принципам: не должно быть ограничений на доступ БПЛА в единое воздушное пространство; должна обеспечиваться безопасность полетов пользователей единого воздушного пространства и безопасность населения на уровне, отвечающем требованиям безопасности полетов ВС; не должны предъявляться требования о дооборудовании ВС дополнительными системами в целях совместимости с БПЛА; БПЛА должны иметь систему, позволяющую надежно отслеживать и избегать ПКС с ВС; производство полетов БПЛА следует осуществлять по тем же правилам, что и для ВС. Для реализации этих принципов предполагается решить ряд задач: 1) Определить процедуры безопасной эксплуатации БПЛА. 2) Установить требования, определяющие порядок использования воздушного пространства БПЛА. 3) Разработать методику разрешения ПКС между БПЛА и ВС в общем воздушном пространстве. 4) Определить порядок взаимодействия оператора управления БПЛА и диспетчера системы УВД. Ряд стран приступили к решению перечисленных выше задач. Франция, Италия, Германия и Швеция развивают свои национальные программы по обеспечению безопасности полетов БПЛА. Пока только США и Канада внедрили в практику УВД выполнение международных полетов гражданских БПЛА над открытым морем в зоне ответственности государства или за пределами воздушного пространства, зарезервированного для БПЛА. К ним отнесены: метеорологические исследования, аэрофотосъемка, киносъемка, геофизические наблюдения. Согласно указанным выше принципам следует, что с точки зрения ОрВД управлять БПЛА следует так же, как любыми иными воздушными судами. В принципе, авиадиспетчера не должно интересовать, какое именно судно он наблюдает - БПЛА или пилотируемый аппарат. Ожидается, что в ОрВД будут внесены изменения, подразумевающие, что основным средством связи с БПЛА будет линия передачи данных (ЛПД). В настоящее время в России проводятся исследования по использованию ЛПД ОВЧ и наземной станции для использования в системе ОрВД в качестве линии наблюдения, управления и связи [30, 31, 34. 35]. Результаты наблюдения, полученные в процессе летных испытаний самолетов «Сесна», Як-18Т и дирижабля «Авгуръ», приведены на рисунке 1.1. Рисунок 1.1- Результаты наблюдения траектории полета Результаты наблюдения траектории с использованием наземной станции, полученные в процессе летных испытаний самолетов Ту-154, приведены на рисунке 1.2. Рисунок 1.2- Результаты наблюдения при испытании наземной станции УКВЛПД Таким образом, автором поставлена задача исследования процессов наблюдения, управления БПЛА в соответствии с требованиями к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве. 1.3. Классификация беспилотных летательных аппаратов Как правило, при классификации БПЛА учитывают способы и методы их эксплуатации. В работах [2, 3, 4] предлагается разделять БПЛА по: назначению: многоцелевые и целевые (разведывательные, наблюдательные, транспортные); кратности применения: многоразовые и одноразовые; способу старта БПЛА: аэродромного старта; безаэродромного старта (старт с рампы, платформы, пускового устройства носителя). способу возврата: с посадкой на аэродром базирования при помощи шасси; свободный спуск на парашюте в заданном районе; падение на уловитель; возврат на парашюте. Общепризнанной в авиации является система классификации с использованием летно-технических характеристик. Выделяют БПЛА: Класс 1. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 10 кг с электрическим двигателем. Они могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения в составе стационарных постов охраны или мобильных групп. Класс 2. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 100 кг с двигателем внутреннего сгорания. Они могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения. Класс 3. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 1000 кг могут привлекаться как для химической обработки больших площадей, так и для оперативной транспортировки грузов. Класс 4. БПЛА вертолетного типа. Они представляют интерес для мониторинга объектов.
Обеспечение целостности при использовании АЗН
Целостность АЗН по определению есть качество, соответствующее степени уверенности в том, что обеспечиваемая данным средством информация является правильной (достоверной). Уровень целостности выражается в виде-показателей вероятности потери или искажения данных о положении и параметрах движения БПЛА, передаваемых по ЛПД.
Среди отметок координатных данных, отображаемых на экране пункта управления БПЛА, могут быть ложные отметки. Одной из причин появления указанной ложной отметки является действие случайных радиопомех в общем канале, которые приводят к искажению передаваемых координатных данных. Другая причина состоит в преднамеренной передаче ложной информации, которую специально передает радиостанция, установленная на земле или подвижном объекте. Третьей причиной является отказ или неисправность бортового оборудования ВС, в том числе и БПЛА.
Таким образом, ложной следует считать искаженную информацию, в том числе, содержащую ошибочные или отсутствующие данные о координатах и параметрах движения.
Для обнаружения каждой ложной отметки, в том числе от БПЛА, и обеспечения целостности, а именно достоверности получаемой по ЛПД, информации, целесообразно использовать метод, изложенный в [33].
Дополнительно в каждом транспондере процессор вычисляет псевдодальность до других станций и сравнивает её с расстоянием до соответствующей станции, которую рассчитывают по координатам, содержащимся в полученном, например от БПЛА, сообщении. Если указанная разность превышает заранее назначенную величину, то указанное сообщение признают недостоверными.
Последовательность модулированных импульсов Начало передачи совпадает с моментом на оси единого времени, соответствующим началу отрезка (слота), отведенного для передачи, как это показано на рисунке 2.3. Сначала передается настроечный сигнал известной длительности, во время которого передатчик выходит на режим передачи, а приемник принимающей станции настраивается на прием. Затем немедленно передают специальную кодовую последовательность, имеющую постоянную длительность - стартовый флаг, за которым следует закодированное сообщение о координатах объекта, на котором установлена станция, ведущая в данном слоте передачу, а также данные о его параметрах движения идентификатора и дополнительную информацию.
Общее запаздывание приема сообщения складывается из следующих составляющих: систематической постоянной задержки, которая равна длительности настроечной последовательности и старт-флага, а также переменной задержки. К последней относятся запаздывание на распространение электромагнитных волн, а именно на прохождение расстояния от антенны передающей станции до антенны принимающей станции, а также случайную погрешность, учитывающую запаздывание начала передачи синхронизации, погрешность кодирования координат и измерение времени приема, которые не должны превышать допустимых значений.
Временной сдвиг, а именно смещение начала пакета на приемном конце, вызванный естественными причинами, представляет всегда запаздывание. В отличие от этого дезинформатор может сдвигать момент начала передачи, как в сторону запаздывания, так и в сторону опережения. Таким образом, суммарный временной сдвиг может иметь различный знак.
Заранее вычисляют величину Ар допустимой погрешности как сумму ошибки измерения и кодирования координат и случайной составляющей задержки в радиоканале, умноженной на скорость света (см. Приложение 1). Для снижения риска псевдоложных тревог из-за передачи станцией устаревшей координатной информации следует Ар увеличивать, но необходимо учитывать, что при этом возрастает вероятность пропуска, то есть необнаружения недостоверности принятого сообщения.
Источник, специально транслирующий для введения в заблуждение других участников движения данные о виртуальном, а именно несуществующем объекте, может с целью маскировки смещать во времени момент начала передачи указанного ложного сообщения, чтобы псевдодальность соответствовала передаваемым координатам, и неравенство (2.3) не выполнялось. Однако это возможно сделать лишь для одной принимающей станции. На других, расположенных в несовпадающих точках пространства и отстоящих от указной на расстоянии не менее р, несоответствие будет обнаружено, за счет чего будет повышена защищенность системы наблюдения от специально организованных помех и отказов.
Основные принципы функционирования системы управления БПЛА
Ручное управление Оператор может подавать разовые команды управления пилотажным комплексом («разворот», «доворот», «набор», «снижение», «горизонт», «посадка» и т.д.). Возможность подачи команды может быть заблокирована в следующих случаях: передача предыдущей команды еще не окончена; текущее состояние пилотажного комплекса не позволяет подать данную команду (например, в режиме «правый разворот» невозможна подача команды «левый разворот»).
Аварийное управление Оператор может подавать любые разовые команды управления пилотажным комплексом. Любая команда может быть подана независимо от текущего состояния пилотажного комплекса и наличия подтверждения о доставке предыдущей поданной команды.
Макрокоманда Предусмотрены четыре макрокоманды управления: набор или снижение до заданной высоты; разгон или торможение до заданной скорости; поворот (доворот) до заданного путевого угла; боковой маневр (змейка) с заданным боковым уклонением. После подачи макрокоманды система управления автоматически формирует набор разовых команд (программу), выполняющих поставленную задачу, и контролирует их отработку.
Автоматическое управление В режиме автоматического управления система автоматически формирует набор разовых команд (программу), обеспечивающих прохождение БПЛА определенного маршрута. В процессе полета система контролирует отклонения БПЛА от маршрута и в случае превышения пороговых значений корректирует программу БПЛА так, чтобы вернуть его на маршрут.
В режиме ручного управления оператор может подать любую разрешенную команду. При этом формируется программа, состоящая из одной команды с признаком немедленного выполнения. Программа начинает передаваться по радиоканалу и передается до тех пор, пока не придет подтверждение об ее успешной доставке.
На протяжении интервала времени, когда передача команды уже началась, а подтверждение еще не пришло, возможность подачи других команд блокируется. При получении подтверждения система сигнализирует оператору, что поданная им команда выполняется пилотажным комплексом. При этом подача команд, запрещенных при выполнении данной команды, блокируется (например, при отработке команды «правый поворот» блокируется возможность подачи команды «левый поворот»).
Аварийный режим предназначен для управления в аварийных ситуациях, когда есть необходимость подать разовую команду, которую режим ручного управления не позволяет подать (блокирует) в данный момент.
В аварийном режиме оператор имеет возможность подать в любой момент любую команду независимо от текущей выполняемой команды и наличия подтверждения о доставке предыдущей команды.
Если оператор подает разовую команду, когда подтверждение о приеме предыдущей команды еще не пришло, передача предыдущей команды прекращается и начинается передача новой команды.
Блокировка команд, запрещенных при выполнении текущей выполняемой команды, не производится. Оператор сам принимает решение о допустимости подачи той или иной команды.
Оператор имеет возможность управлять полетом БПЛА при помощи макрокоманд. Оператор задает только параметр макрокоманды (высоту, скорость, путевой угол, боковое уклонение), а система автоматически управляет полетом БПЛА так, чтобы обеспечить достижение заданного параметра. Для выполнения макрокоманды «Заданная высота» формируется и передается программа, состоящая из двух команд: «набор» (или «снижение) и «горизонтальный полет». Интервал времени между этими командами задан с таким расчетом, чтобы время подачи команды «горизонтальный полет» соответствовало расчетному времени занятия заданной высоты.
В процессе выполнения макрокоманды «заданная высота» производится непрерывный контроль текущей высоты БПЛА. Если обнаруживается, что его текущая высота в процессе набора или снижения не соответствует расчетной, производится новый расчет момента времени, в который будет достигнута заданная высота, на его основе формируется новая программа, чтобы более точно обеспечить занятие заданной высоты. Макрокоманды «Заданная скорость» и «Заданный путевой угол» выполняются по такому же принципу.
Макрокоманда «боковой маневр» («змейка») производит боковой маневр с выходом на параллельную линию пути. Для этого производится правый или левый поворот на определенный угол, потом возможен кратковременный участок прямолинейного полета, после чего происходит возвращение на исходный курс.
В режиме автоматического управления полет БПЛА происходит без вмешательства оператора. Автоматически формируются и передаются программы, обеспечивающие прохождение маршрута с соблюдением заданных высот, скоростей и времен прохождения поворотных точек. Одновременно с очередным фрагментом программы рассчитывается прогнозируемая траектория полета. Формирование и передача новой программы происходит в следующих случаях: отклонение реального положения БПЛА от прогнозируемой траектории полета превысило допустимые значения (а значит, требуется коррекция программы); промежуток времени, на который рассчитана предыдущая программа, подходит к концу.
Программа формируется из последовательных фрагментов. 1. Пересчет координат БПЛА из географической в частную ортодромическую систему координат, соответствующую текущему участку маршрута. 2. Если боковое отклонение от текущего участка превышает допустимое значение, то формируется фрагмент программы, содержащий в себе маневр коррекции. Маневр коррекции используют команды «правый доворот», «левый доворот» и «прямо». Маневр обеспечивает возвращение на текущую линию пути с одновременным выходом на заданный путевой угол. Если до начала поворота на следующий ППМ осталось слишком мало времени и не хватает времени для выхода на текущую линию пути до начала поворота, то маневр коррекции не производится. 3. Если высота не соответствует заданной, то формируется фрагмент программы, обеспечивающий набор заданной высоты или снижение. Если до начала поворота на следующий ППМ недостаточно времени, и БПЛА не успевает занять заданную высоту, то время набора высоты или снижения ограничивается временем начала поворота на следующий ППМ. 4. Если после выполнения предыдущих команд скорость не будет соответствовать заданной, то формируется фрагмент программы, обеспечивающий достижение заданной скорости. Если до начала поворота на следующий ППМ осталось слишком мало времени, и БПЛА не успевает достичь заданной скорости, то время ускорения или торможения ограничивается временем начала поворота на следующий ППМ. 5. После достижения заданной высоты и скорости происходит прямолинейный горизонтальный полет со стабилизацией скорости до начала поворота на следующий ППМ. Начало поворота рассчитывается таким образом, чтобы по завершению поворота БПЛА оказался на следующей линии пути. В случае, когда следующий ППМ помечен как точка необязательного пролета, а после нее в маршруте присутствует точка с заданным временем прохождения, начало поворота рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить соблюдение этого времени. 6. После участка прямолинейного горизонтального полета формируется фрагмент программы, обеспечивающий поворот на следующий ППМ. 7. Пункты 1-6 повторяются для следующего участка маршрута, и так далее, пока не будет достигнута последняя точка маршрута, либо пока количество команд в программе не превысит максимально допустимое (размер программы ограничен количеством информации, которое может быть передано в одном слоте).
Организация контроля и управления БПЛА
Метки и параметры БПЛА выводятся на экран по информации, поступающей от сервера НС СНН. В случае кратковременного отсутствия обновления информации от БПЛА ее местоположение определяется на основе прогноза движения в зависимости от текущего режима полета. Обмен данными по радиоканалу осуществляется посредством модулей приемо-передатчиков на НС СНН и БАРУ БИЛА. Данные от собственного спутникового навигационного приемника БПЛА, (путевая скорость, геометрическая высота, путевой угол, географическая; широта и долгота), а также информация от аппаратуры телеметрии БПЛА (режимы, квитанции, сигнализации, курс, воздушная скорость, барометрическая высота, крен, тангаж, время полета) посредством приемопередатчика БАРУ поступают на вход НС СНН, и далее на АРМО. На основании текущего и заданного состояния БПЛА АРМО с участием оператора или в автоматическом режиме формирует программу управления, содержащую разовую команду или сегмент программы управления, которые посредством приемопередатчика НС СНН транслируются на БПЛА. Программой управления называется- вся радиопосылка от НС СНН к БАРУ. Программа управления может содержать одну или несколько разовых команд управления БПЛА. В случае ручного управления программа содержит только одну разовую команду для непосредственного исполнения в момент получения. В случае автоматического управления или управления оператором посредством макрокоманды программа содержит две или более разовые команды с указанными временами исполнения и называется сегментом программы. Начало исполнения сегмента программы управления формируется на время Тр с учетом задержки в канале управления»на основе прогноза состояния БПЛА. Задержка начала исполнения сегмента программы устанавливается не менее 4 секунд. Исполнение последующих разовых команд внутри сегмента программы определяется косвенными значениями интервалов времени относительно Тр для первой и относительно предыдущей для последующих команд. Согласно этим меткам времени БАРУ подает на управляющие выходы необходимые сигналы управления в точности с указанным временем. Интервалы между управляющими импульсами задаются с точностью до 1/75 секунды. Нормированная задержка в 4 секунды позволяет исключить влияние запаздываний при передаче сегмента программы по радиоканалу, уменьшить влияние пропаданий отдельных пакетов в эфире. В случае доставки сегмента программы на БАРУ с опозданием Т Т, (время исполнения первой команды уже прошло) АРМО получает от БАРУ ответ с уведомлением о невозможности исполнения команды управления и формирует новую откорректированную программу. Сегмент программы, доставленный с опозданием, БАРУ не исполняется. Исполнение разовых команд в ручном режиме управления БАРУ происходит незамедлительно после их приема.
Отсылка передатчиком комплекса программы управления для каждого из БПЛА происходит непрерывно до получения подтверждения комплексом ответа БАРУ об успешном принятии программы. Показания аппаратуры телеметрии не учитываются автоматикой, а служат для отображения состояния БПЛА и для контроля оператором подтверждения принятия программы и контроля установки режима. Программа управления начинает применяться БАРУ после первого ее успешного принятия, последующие дублирующие приемы вызывают лишь генерацию ответа об успешном приеме. В этом случае (когда программа уже успешно принята) расшифровка последующих дублирующих программ и анализ времени подачи первой команды не происходит - все время генерируется подтверждение об успешном приеме и применении команды.
При инициации формирования команды АРМО в зависимости от необходимого действия вырабатывает одну или несколько последовательных радиокоманд, рассчитывает их времена исполнения, формирует команду управления с данными командами и отсылает по локальной сети комплекса на сервер. При этом в интерфейсе оператора АРМО отображается статус инициации подачи команды.
В момент появления на сервере комплекса запроса АРМО на передачу программы управления формируется пакет с запрашиваемой к передаче программой управления для модуля приемо-передатчика (МПП), и он начинает ее трансляцию в эфир. Одновременно с началом передачи на сервере взводится признак начала передачи по радиоканалу. При этом блокировка передачи команд для других БПЛА, а также прием информационных пакетов от всех БПЛА не происходит. Это обеспечивается временным разделением в канале передачи данных. В зависимости от исхода операции передачи программы по радиоканалу на сервере формируются признаки об успешной передаче или невозможности исполнения данной программы управления. Ориентируясь на наличие или отсутствие этих признаков, АРМО принимает решение о повторной выработке программы, продолжении нахождения в состоянии предыдущего режима полета или же о переключении управления в новый режим полета.
При управлении разовыми командами (при подаче оператором вручную одной из 24 управляющих команд, каждая из которых соответствует одному из 24 управляющих выходов БАРУ, соединенных с автопилотом БПЛА) комплексом вырабатывается программа управления; содержащая всего лишь одну команду. Время доставки команды на БАРУ с момента подачи оператором не более 1 секунды. БАРУ при приеме данной программы незамедлительно приступает к ее выполнению без каких либо задержек.
Следует отметить режим управления БПЛА макрокомандами. Макрокоманда представляет собой последовательный набор разовых команд управления с точно рассчитанными временами исполнения и служит для изменения одного из параметров движения - путевого угла, путевой скорости или геометрической высоты полета - до заданного значения. Программа с макрокомандой сформирована так, чтобы вероятное время задержки от момента нажатия оператором клавиши до момента принятия этой команды БАРУ было меньше, чем время начала исполнения первой разовой команды в программе управления. БАРУ же исполняет принятую макрокоманду без задержек, строго руководствуясь указанными в макрокоманде временами, обеспечивая точную своевременную подачу управляющих импульсов на автопилот БПЛА.
Управление при помощи сегмента программы технически с точки зрения комплекса является тем же, что и управлением макрокомандами. Разница лишь в представлении процесса управления оператору. Макрокоманда - это разовый маневр для достижения одного из заданных параметров полета с последующим возвращением БПЛА в горизонтальный прямолинейный полет. Сегмент программы же - это набор маневров по стабилизации БПЛА заданной траектории, определяемой заданным маршрутом полета в автоматическом режиме управления комплексом БПЛА.
При управлении сегментом программы АРМО вырабатывает последовательность разовых команд с указанием времен исполнения. Количество разовых команд в программе определяется емкостью одной радиопосылки для передачи данной программы управления. По мере прохождения БПЛА маршрута (и исполнения БАРУ присланной программы) АРМО вырабатывает последующую часть программы управления для отсылки ее на БПЛА. В случае если в процессе исполнения сегмента программы прогноз достижения БПЛА заданного параметра отличается больше чем на величину пороговых значений предполетных настроек, АРМО вырабатывает новую программу управления для компенсации отклонений.
На основе заданного оператором маршрута, исходя из доступных для БПЛА маневров текущих и прогнозируемых скоростей, АРМО формирует траекторию движения БПЛА, стараясь максимально выдержать указанный маршрут (как можно большую часть маршрута выдерживать минимальные отклонения от него). Корректность соответствия вырабатываемой траектории введенному маршруту лежит на операторе управления БПЛА. При наличии маршрута с достаточно короткими участками и острыми углами поворотов между ними БПЛА может быть не в состоянии пройти маршрут с малыми отклонениями от него, что следует учитывать при составлении маршрута.
