CC BY
380НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF NAVIGATION SYSTEMS, UNMANNED AERIAL VEHICLES
УДК 623
DOI: 10.24411/2658-4964-2020-10106
Мартыненко Данил Васильевич, магистрант, Донской Государственный Технический Университет, г. Ростов-на-Дону,
Олейник Максим Николаевич, магистрант, Донской Государственный Технический Университет, г. Ростов-на-Дону
Martynenko D.V. [email protected] Oleynik M.N. [email protected]
Аннотация
Рассмотрены перспективы производства беспилотных летательных аппаратов ведущими государствами, тенденции развития и проблемные вопросы совершенствования навигационных систем современных беспилотных летательных аппаратов. Приведенная необходимость функционального, информационного и аппаратурного объединения навигационных измерителей различных физических полей в интегрированный навигационный комплекс.
Summary
The prospects for the production of unmanned aerial vehicles leading countries, development trends and problematic issues of improving the navigational systems of modern unmanned aerial vehicles. The necessity of a functional, information and association navigation hardware meters different physical fields in an integrated navigation system.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, навигационная система, интегрированный навигационный комплекс. Keywords: unmanned aerial vehicle, navigation system, integrated navigation system.
Основные направления развития беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) как составной системы вооружения вызваны необходимостью реализации новых концепций и усовершенствованию уже имеющихся технологий навигации. Ужесточаются требования к автономности информационных систем и расширяются требования к авиационным комплексам (АК), в том числе - беспилотных.
В перспективе к 2025 - 2030 г.г. рассматривается возможность применения БПЛА различного назначения в составе смешанных авиационных групп. Но методы навигации и согласованного управления группой БПЛА не отработаны в достаточной степени, поэтому совершенствование навигационных систем БПЛА уделяется постоянное внимание.
Целью статьи является анализ тенденций развития систем навигации БПЛА по материалам открытых публикаций.
Анализ публикаций и исследований. В ведущих странах мира активно развиваются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) различного назначения.
Объем мирового рынка БПЛА в предстоящее десятилетие составит 67,3 млрд дол. [3]. На производство беспилотных аппаратов будет потрачено 35,6 млрд. долл., 28 млрд долл. - на проведение испытаний в сфере беспилотной техники, 2-3 млрд.. долл.- на сервисное обслуживание БПЛА. В уже производственном секторе, объем которого составит 35,6 млрд. долл., расходы распределяются следующим образом: производство средневысотных БПЛА большой продолжительности полета типа MALE (Medium-Altitude Long-Endurance) - 13,7 млрд дол. (38,5%). На производство тактических БПЛА будет потрачено 8 млрд.. долл. (24,1%), на высотные БПЛА большой продолжительности полета типа HALE (High-Altitude Long-Endurance) - 7,3 млрд. дол. (20,5%), на БПЛА вертикального взлета и посадки - 3 млрд. дол. (8,4%), на ударные БПЛА типа UCAV (Unmanned Combat Air Vehicle) - 1,7 млрд. дол. (4,8%), на БПЛА, запускаемых с руки (портативные БЛА) - 1 , 3 млрд. дол. (3,6%).
Как показывает проведенный анализ (табл. 1), наибольшее количество типов БПЛА составляют аппараты военного назначения.
Таблица 1 -Распределение типов БПЛА по назначению
Класс назначения БПЛА Количество типов
№ Абсолютное Относительное, %
1 Гражданское и коммерческое 55 10,1
2 Военное 397 72,29
3 Двойное 44 8
4 Научно-исследовательское 35 6,43
5 Опытное 219 40,25
Всего типов БПЛА, принадлежащих классам (1) - (5), в том числе совместные проекты. 544 > 100
Данные оценки производства основных типов БПЛА военного назначения приведена на диаграмме (рис. 1).
Рис. 1. Оценка производства основных типов БПЛА военного назначения
Применение БПЛА необходимо для решения задач, выполнение которых связано с высокими рисками потерь, или задач, не реализуемые пилотируемыми АК из-за различных ограничений [1].
Актуальность создания многофункциональных беспилотных систем обусловлена [1-4] возрастанием стоимости создания и эксплуатации пилотируемых АК; сокращением лётного состава пилотируемых АК; опасностью потерь, пилотируемых АК и летного состава; необходимостью формирования сложных систем с БПЛА; возможностью решать в составе смешанной авиационной группы ударные, истребительные, а также разведывательные задачи; радиоэлектронного подавления; необходимостью принятия на вооружение новых высокотехнологичных систем вооружения и военной техники; возможностью решать в одном вылете БПЛА разнородные задачи.
Степень замещения функции летчика для БПЛА приведена в табл. 2.
Таблица 2 - Степень замещения функции летчика
Управление движением АК в полете (выбор траектории, направления) До 40 %
Принятие решения на применение авиационных средств поражения До 80 %
Действия в особых случаях при отказе авиатехники До 12 %
Вывод из неконтролируемого полёта До 95 %
Управление полетом при невозможности выполнять свои функции До 100%
Поиск и идентификация воздушной цели:
- ближняя, воздушная До 25%
- воздушная, на дальних и средних дистанциях До 95 %
Поиск и идентификация наземной (надводной) цели До 25%
Взлет, посадка, полет по маршруту До 45%
Маневрирование, выбор маневра, уклонение от угрозы. До 10%
Управление ЛА при повреждении планера и его систем 0...5 %
Следует отметить, что создание многофункциональных комплексов с БПЛА различного назначения требует решения ряда проблем, в частности по бортовому оборудованию: разработка интеллектуальной бортовой системы управления полетом с участием оператора; оптимизация функций оператора и их роли в управлении полетом и выполнении задач; разработка бортовых систем высокоточной навигации [4].
В структуре системы управления, система навигации является основой функционирования системы автоматического управления и используется для оценки состояния БПЛА и настройки автопилота на конкретные режимы полета.
Выбор технических характеристик навигационной системы БПЛА полностью зависит от возложенных на него задач. В зависимости от решаемых задач при синтезе навигационной системы могут использоваться различные принципы навигации, которые и обуславливают аппаратный состав системы.
Штурманский метод. Основными достоинствами является высокая точность наведения и достоверность распознавания цели; основным недостатком - слабая помехозащищенность.
Метод расчёта маршрута. Основное преимущество - автономность; основной недостаток - низкая точность.
Метод распознавания. Основное преимущество - автономность; основной недостаток - необходимость иметь большой массив исходных данных.
Позиционный метод. Основные преимущества - возможность определять координаты объекта без учета и знания пройденного пути, быстродействие; основные недостатки - подверженность помехам, относительно низкая точность.
Главным направлением развития навигационного оборудования БПЛА является функциональное, информационное и аппаратное объединения навигационных измерителей различных физических полей в интегрированный навигационный комплекс. Объединяться могут не только системы на разных принципах навигации, но и отдельные датчики первичной информации (датчики давления, магниторезисторы, акселерометры и т. п.), что производят одни и те же параметры [6].
В интегрированные навигационные системы должны входить следующие составляющие:
- инерциальный модуль;
- магнитный компас;
- система воздушных сигналов;
- высотомер;
- датчики температуры;
- энергонезависимая память для хранения настроек устройства и программ полета;
- приемник сигналов ГНСС (спутниковой навигационный модуль).
- С целью решения более широкого круга задач (или при отсутствии сигналов ГНСС) в базовом комплексе должна быть предусмотрена возможность расширения функционала, что включает:
- оптические средства;
- электронную карту рельефа местности с сетью наземных искусственных ориентиров;
- навигационную систему с реализацией обзорного метода навигации.
Основная цель синтеза (объединения) систем ориентации и навигации заключается в повышении точности определения навигационных и угловых параметров ориентации БПЛА [5].
Таким образом, можно сформулировать основные направления совершенствования систем навигации БПЛА:
1. Улучшение показателей: точность, автономность, универсальность, уменьшение энергопотребления и массогабаритных характеристик.
2. Переход на датчики первичной информации мини - и микроразмеров, а также разработка модулей измерительных устройств, обеспечивающих измерение скоростей и ускорений по шести координатам: по трем угловым и трем линейным.
3. Развитие способов навигации и согласованного управления полетом группы БПЛА, с возможностями выбора альтернативных маршрутов и взаимодействия между собой.
4. Решение вопросов автоматической посадки на необорудованные площадки и спасения БПЛА;
5. Решение проблемы ускоренного, с минимальными финансовыми и временными затратами процесса, ввода в эксплуатацию широкой номенклатуры БПЛА.
6. Дальнейшее совершенствование навигационных систем БПЛА путем интеграции инерциальной навигационной системы с глобальными спутниковыми навигационными системами (ГНСС), тепловизионными и лазерными системами, а также радиолокационными системами.
7. Использование технологий машинного зрения, включая методы теории обработки изображений и распознавания образов в качестве альтернативы спутниковым технологиям.
8. Синтез более совершенных нелинейных алгоритмов оценивания навигационных параметров; алгоритмов комплексной обработки информации измерений ГНСС и инерциальных систем.
9. Разработка алгоритмов комплексной обработки информации инерциальных систем и спутниковых навигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС / GPS / Галилео
Таким образом, из сказанного выше, видно, что решение проблем дальнейшего развития систем навигации БПЛА с использованием специфических аппаратных и программных средств например, автоматическая коррекция текущих координат, которые получены от инерционных навигационных систем, на основе методов корреляционно-экстремальной навигации при отсутствии информации от спутниковой навигационной системы, позволит применять беспилотные и пилотируемые БПЛА в смешанной авиационной группе, что ведет к появлению комплекса авиации обладающий качественно новыми свойствами и характеристиками.
Список литературы:
1. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратов / Под ред.
М.Н. Красильщикова и Г.Г. Серебрякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 556 с.
2. Беспилотные летательные аппараты: Методики приближенных расчетов основных параметров и характеристик / В.М. Ильюшко, М.М. Митрахович, А.В. Самков и др.; под общ. ред. В. И. Силкова. - К.: ЦНИИ ВВТ ВС Украины, 2009 - 302 с.
3. Мировой рынок беспилотников [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
4. http://vpk-news.ru/print/articles/18914.
5. Unmanned Aircraft Systems for Logistics Applications. (By John E. Peters, Somi Seong, Aimee Bower, Harun Dogo, Aaron L. Martin, Christopher G. Pernin.) [Електронний ресурс]. - Режим доступу к ресурсу:
6. http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/monographs/201 1/RAND_MG978.pdf.
7. Распопов В. Я. Микросистемная авионика: учеб.
8. пос. / В. Я. Распопов. - Тула : «Гриф и К», 2010. - 248 с.
9. Lerner R, Rivlin E. Direct Method for Video Based Navigation Using a Digital Terrain Map IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 2010 Aug 31 [Електронний ресурс]. - режим доступу к ресурсу:
10. http: //www.ncbi .nlm.nih.gov/pubmed/2082007.
Literature:
1. Modern information technology in the problems of navigation and guidance of unmanned maneuverable aircraft / Ed. M.N. Krasilshchikova and G.G. Serebryakova. - M .: FIZMATLIT, 2009 .-- 556 p.
2. Unmanned aerial vehicles: Methods of approximate calculations of the main parameters and characteristics / V.M. Ilyushko, M.M. Mitrahovich, A.V. Samkov et al .; under the general. ed. V.I.Silkova. - K .: Central Research Institute of Armed Forces of the Armed Forces of Ukraine, 2009 - 302 p.
3. The global market for drones [Electronic resource]. - Access mode: http://vpk-news.ru/print/articles/18914.
4. Unmanned Aircraft Systems for Logistics Applications. (By John E. Peters, Somi Seong, Aimee Bower, Harun Dogo, Aaron L. Martin, Christopher G. Pernin.) [Electronic resource]. - Access mode to the resource: http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/monographs/201 1 / RAND_MG978.pdf.
5. Raspopov V. Ya. Microsystem avionics: textbook. pos. / V. Ya. Raspopov. - Tula: "Vulture and K", 2010. - 248 p.
6. Lerner R, Rivlin E. Direct Method for Video Based Navigation Using a Digital Terrain Map IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell. 2010 Aug 31 [Electronic resource]. - access mode to the resource: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2082007.
