CC BY
24
УДК 623.765.4
Огляд метсдав виявлення та локал1заци малих
¿я* • • •
оезпшотних л1тальних апаратш
Сокольський С. О., Мовчанюк А. В.
Нацншалышй тохшчиий ушворситот Укра'ши "Ки'шський иолггохшчций шститут ímoiií 1горя СЛкорського", м. Ки'ш, Укра'ша
E-mail: в okol.ekyi&roe. kpi.ua. rnovchanuk&rl.f .kpi.ua
Везшлотш летальш апарати (БПЛА) або дропи широко використовуються в багатьох сферах, ало в той же час почала стр!мко зростати i юлыасть правопорушепь з i'x внкорпстаппям. Тому задача впявлеппя дрошв е актуальною. Метою досл1джеппя. паведепого в статть е поршпяппя та критичпий апал!з ОСПОВ1ШХ метод!в та засоб!в виявлоппя малих безшлотпих леталышх апаратав. В робот! було досл!джепо потешцйш можливоста паступпих метод!в виявлоппя дрошв: оптичпий метод, радюло-кациший та акустичпий методи. Встаповлепо. що оптичпий метод передбачае використаппя камор високо1 роздглово! здатпост у св!тлий час доби. ало bíii западто заложпий в!д природпих факторш павколишпього сородовища, паприклад, дощу або туману. У томпий час доби для детектуваппя дрошв зазвичай використовують шфрачервош оптичш пристро!. Осповпими педолшами такого шдходу е повисока максимальна дальшсть виявлоппя ц1л! та поглипаппя атмосферою 14 випромшюваппя. окр!м «bíkoii» з межами довжип хвиль 3 4 та 8 12 мм. В результат! паведепих розрахушав встаповлепо. що дальшсть визпачеппя ц1л! оптичпим методом складае близько 230 метр!в. а з використаппям 14 приймача 73 метри. Зазпачепо. що радюлокагцйш мотоди подшяються па активш та пасивш. Радюлокагцйш системи можуть працювати у будь-яку частипу доби та дозволяють виявляти мал! безшлотш л!тальш апарати (МЛА) па в!дстапях до шлькох к!лометр1в (9,3 км). В результат! апал!зу спектру радючастотпого сигналу можпа отримати пайбглын детальпу шформацпо про цгль. Осповпим педолшом радюлокагцйпих метод!в е то. що bcí РЛС по працюють у ближшй 3oni. Встаповлепо. що акустичш сепсори дозволяють ефективпо виявляти мал! безшлотш летальш апарати пезважаючи па рельеф оточуючого серодовища, але результати заложать в!д паявпих акустичпих фопових шум!в та завад. Ефективпа дальшсть виявлошш цгл! складае бгля 75 метр!в. У статт! наведено пор1впяппя результате розрахупку. па основ! експеримепталышх дапих. далыюст виявлеппя малого безшлотпого л!талыюго апарату «DJJ Mini 2 Fly Mure Cumbo». У висповках досл1джеппя зазпачепо. що пайбглын ефективпим шдходом е комбшагця в!домих метод!в виявлошш ВПЛА та наведено рекомендаций щодо побудовн таких систем.
Клюноаг слова: дроп: малий безшлотпий л!талышй апарат: МЛА: детекгця: максимальна дальшсть
впявлош1я
DOI: 10.20535/RAD АР. 2021.87.46-55
1 Вступ
Бозшлотний „шталышй апарат («БПЛА» або «дрон») продставляе собою повиряно судно без га-лота. що дистанщйно коруеться з шшого мкця: з зомль з борту шшого повиряного судна, з космосу, або запрограмовано 1 повшетю автономно (Рис. 1).
1доя появн БПЛА виникла доенть давно, ало в сьогодшшньому вигляд1 вони з'явилися тшьки в останш досятилитя. в порюд активного розвитку робототохшки та штучного штолокту. Цо стало мо-жливим завдяки розвитку 1 вдосконалоншо ряду тохнолопй. порш за всо супутникових радк>нав1га-щйних тохнолопй. сонсорних тохнолопй. радюлока-цшних. оптичних. акустичних. шфрачорвоних (14). а також появ1 на борту дрошв досить потужних
обчислювалышх :iaco6ÍB. яш дозволяють шторпро-товувати даш. отримаш з цих вид1в concopiB.
1
Рис. 1. Малий бозпшотний „шталышй апарат (дрон) «DJI Mini 2 Fly More Combo»
Бозпшотш „штальш апарати здатш виконувати широкий спектр корисних для людства функщй, перш за все це мошторинг та контроль ториторШ, аеро-, фото- або вщеозйомку, кр1м того БПЛА зда-Tiii здШсшовати доставку ванталйв, а також брати участь в проводенш пошуково-рятувалышх оиера-щй.
Зидно з класифшащяо бозшлотних „шталышх апарапв. запропонованою МЬкнародною асощащ-яо з питань бозшлотних лиалышх систем AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International), маш бозпшотш лиалыи апарати (МЛА) ма-ють наступи! параметри fl]:
• зл1тна маса: 0.025 - 150 (кг):
• далыисть польоту: 1-30 (км):
• впсота польоту: 100 - 300 (м):
• триватсть польоту: 0.5 - 2 (г).
Нсзважаючи на те. гцо дронп здатш виконувати велику кшьшсть корисних для людства функщй, все часташе почали фшсуватись правопоруше-иия при використанш малих бозшлотних „шталышх апарат1в, наприклад, доставка забороненпх предме-т1в, бомб, контрабанд!!, напади па людей, иесаик-щоиоваиа зйомка державиих вояших об'екпв та забороиеиих ториторШ, що призводить до витоку коиф1деищйио1 шформащ!.
У свтш цього актуальною е. науково-техтчна проблема проанатзувати ociiOBiii методи та за-соби для виявлення малих бозшлотних «шталышх аиарат1в, визначити найбшьш ефективний, що дозволить швидко та свосчасно розгортати контрза-ходи, усуваючи потонцшш неприемш насшдки.
1снують три OciiOBiii тохшчш методи детектува-ння малих бозшлотних лиалышх апарапв опти-чний, радюлокацшний та акустичний.
Задачею щя статт1 е виявлення найбшьш ефек-тивного методу детектування МЛА.
2 Методи виявлення i локалпзацп MJIA
2 Л Оптичний метод
Перспективним та досить 1нформативним методом виявлення малих бозшлотних лиалышх апара-т1в с оптичний метод.
Системи 0ПТИЧН01 локагщ, як правило, мктять naciiBiii сенсори р1зних оптичних д1аиазон1в. Джере-лами електромагштного випромпиовання оптичного д1аиазону для цих пристрсмв е. лазери, що працю-ють в 1мпульсному або в безперервному режим1. Окрем1 оптичш пристро! служать як для форму-вання иередавання внпром1шовання лазера, так i для приймання в1дбитого в1д об'екта сиостереження лазерного випром1шовання.
В окремих системах оптичнсм локацИ застосову-ються шдивщуально адаитован1 оптичш формуюч1 пристро! для пасивних сенсор1в, що пращоють в р1зних оптичиих д1апазоиах довжин хвиль, а також скануючий иристр1й (камера сиостереження високо! роздшово! здатност1), що забезпечуе огляд заданого простору. Для функщонування системи застосову-ються обчислювалыи пристро!, що забезпечують обробку отриманих вх1дних сигнал1в, проведения вбудованого контролю даних 1 видачу необхщно!' шформащ! у зовшшшй пристрШ.
Можна видшити наступи! недолши оптичних систем:
- невелик! кути огляду простору по азимуту:
- мат швидкоста сканування заданого простору:
- недостатшй захпст застосовуванпх сонсор1в вщ зовшшшх 1 внутрпншх засв1чень.
Оптичш системи зазвичай пращоють у двох режимах сканування пасивному та активному.
Режим, пасивного сканування. У цьому режи-м1 камера з Iх! сенсором (лпийка фотоелеменпв) повертасться на вщповщний кут мшця, скануючн навколишнш ироспр. При виявленш об'екта з тем-пературним контрастом сигнал з Iх! сенсора подае-ться на ироцесор (ПР) керуючий взаемодшо вах блошв 1 пристрсмв за зовшшшми командам. Команда з ПР подаеться на толстазШшш канал шчного бачення (ТКНБ) для сирацьовування електронно-го затвора електрооптичного иеретворювача свила (ЕОП). Отримана шформащя з ТКНБ надходить в ПР, який визначае величину кутово! неузгоджено-сп м1ж «штинним» об'сктом \ його темиературним аналогом. Кутов1 координати «ктинного» об'екта иередаються у зовшшшй пристр1й. У раз1 вщсутно-сп шформащ! з ТКНБ про «ктинне» положения об'екта, що спосторкаеться, у зовшшшй иристр1й видаються кутов1 координати об'скта з температур-ним контрастом.
Режим, активного сканування. Цей метод включав в себе шдсв1чування атмосфери лазерним ви-промпиованням, приймання вщбитого випромшювання \ використання обчислювалыго-аналиично!' системи. Сканування атмосфери в тривтпрному простор! зд1йсшоють за доиомогою керованого ска-нуючого лазера. Мат бозпшотш „штальш апарати або турбулентш потоки, викликаш ними, вщхиля-ють в простор! промшь когерентного джерела свь тла.
Вщхилення промешо лазерного джерела свила контролюють телеметричиим пристросм. Тохшчний результат шдвшцення ймов1рност виявлення об'ектт \ шдвшцення точносп втпрювання просто-рових координат цшь Прикладами таких систем с наземш лазорш далеком1ри, наземш локатори, ла-зерн1 системи розвщки тощо.
Зазвичай при застосуванш системи оптичнсм ло-кащ! з каморами спосторожоння високо! роздшо-во1 здатносп формуються зображоння об'екпв [2]. Дат вщбуваеться обробка таких зображоиь 1 ви-дшяються дшянки в1дпов1дш малому бозпшотному „штальному аиарату.
Важливо зауважити. що обробку зображоиь не-обхадно здШсшовати в реальному масштаб! часу. Та-кож значна проблема з'являеться при мошторингу величезио1 територ11 об'екту: па досить великш в1д-сташ мат безшлотш лиалыи апарати мають мат кутов1 розхйри 1 на свтточутливШ матрищ камери вони будуть займати невелику шльшеть шксел1в. тому 1х легко переплутати з1 звичайними птахами та подати сигнал хибнеи тривоги (Рис. 2).
Дальшсть детектування дрошв завжди менше або р1вне деякому максимальному значению Rmax, що вщповщае найбшьш сприятливому поеднаншо ф1зичних умов спосторожоння. При цьому закон розподшу далыгосп детектування найбшьш повно характеризуй засоби й умови спосторожоння [3].
Дальшсть виявлеиия малих безшлотних „шталь-них аиарат1в оптичними системами RonT (м) визна-чають за таким виразом [4]:
Ra
f
В\ЯцкцЗщ, А\Тщ,Т,
пр ' сер
4 -кРт
(1)
пор
Рис. 2. Зображоння МЛА та птах1в при р1зшй роз-дшыий здатносп
Само тому \ використовують спощалыи алго-ритми цифрово! обробки зображоиь для видшення малих безпшотних „шталышх аиарапв на т.ш досить складних фонових об'екпв. Приклад алгоритму показано на рисунку 3.
Рис. 3. Алгоритм обробки зображоиь
Оптичне детектування малих лиалышх апара-tíb значно залежне вщ фактор1в оточуючого сере-довища. Очевидно, що поиршення результата виявлошш МЛА вщбуваеться через збшынення зони огляду та поля зору. обмеження прямо! видимость наприклад. через силышй туман, пил або з настан-
ням ii04í.
де Бл - спектрапьна щшьшеть вииромшювання noBopxni малих безпшотних лиалышх аиаратав за рахунок освилеппя i! сонцем (Вт/см2 ■мкм-ср); S4 - ефективпа поверхпя вщбиття цш в оптичпому доапазош (м2); кц - коефщент вщбиття noBepxni S
дае внпромшювання (м2); ДА - смуга пропускания оптичного фшьтра (мкм); Рпор - порогова чутли-BicTb прпймального пристрою (Вт/см2); тщ, тсер-косфшденти пропускания прпймального пристрою та вщповщно середовища.
Розрахусмо максимальну дальшсть виявлошш малого „штального аиарату оптичною системою на приклада квадрокоптера «DJI Mini 2 Fly More Combo» (Рис. 1). Iioropo3MÍpny «вщкритому» сташ (з пропелерами): 245x289x56 мм (ДхШхВ).
Будемо вважати. що процес детектування вщбу-васться при иормалышх погодних умовах. у ясиий соиячиий день, тому спектральиа щшыисть внпромшювання поверхш цш Бл = 102 Вт/см2 ■ мкм ■ ср.
Визначимо значения ефективно1 поверхш вщби-ття (ЕПВ) дрону. Вщбивалыи властивосп noBepxni об'екпв зазвичай можна охарактеризувати i через ефективну поверхшо розаювання (ЕПР) [5]. Щоб втиряти ЕПР з внеокою точшетю. необхщно взятн реалыи об'екти та провести експернментн на ncuiiro-нах або у радючастотних безехових камерах. Через вщеутшеть необидного обладнання. ЕПР для дрону «DJI Mini 2 Fly More Combo» розраховано теоретично на приклад1 модат БПЛА RQ-1 «Predator». У [6] авторами проведеш необхщш експеримеити та зроблено висновок. що для модел1 RQ-1 «Predator» кругова мед1анна ЕПР (значения ЕПР. яке вико-
ристовусться при розрахунках дальноста виявлоппя
2
дел1 квадракоптера «DJI Mini 2 Fly More Combo»
2
дрону. мошна за RQ-1 «Preda,tor» у 28 pa3ÍB.
к
мо. що bíii не заложить вщ кута падшня свила на об'ект, а також. що корпус малого безшлотпого летального апарату буде максимально контрастного кольору до оточуючого середовища.
Д1аметр об'ективу камери виявлення d =50 мм та мае форму круга, тому при щеалышх умовах
офоктивна площа. па яку падав випромпповання дор1внюе: Snp0 = ^f- = 1, 963 м2.
У якоста смуги пропускания оптичного фшь-тра будем використовувати видимий д1апа-зон довжин хвиль: граннця коротких хвиль 380... 400 нм, гранпця довгих хвиль 760... 780 нм. Тому ДА= 780 - 380 = 500 нм.
Приймалышй npncTpifi оптичнем системи бу-до використовувати аиалогову видеокамеру висо-ко1 чутливосп з 1 /3-дюймового ПЗС-матрицею Sony 96QHEXmewHADCCDII, процесором Sony Effio-E. Камера мае розшироний динахнчний дь апазон 52 дБ i високе розширення 680/700 ТВ Л в кольоровому/чорно-бшому режимах. Програм-ний режим «день/шч» вщоокамори спосторожен-ня дозволяе in формувати кольорово/чорно-бшо зображення при мпималышх piBirax освиленосп (0.03/0.01 ж), а система шумоподавления 2D DNR забозпочуе чишеть зображення при знижоному освиленш [7]. Тому порогова чутлившть камери при формуванш кольорового зображення дор1вшовати-
ме 0.03 лк (вщношення С/Ш 52 дБ) або 4.39 10-9 2
Косфшденти пропускания приймального пристрою i середовища приймемо piBinraii 1, вважасмо. що ефект затухания не вщбуваеться та не мае роз-сповання.
Шдставимо знайдош параметрп у формулу (1):
R,
yiü2 -0.
033 1.963 10-3 50010-3 11
(мкм); к = 1,38 • 10-23 Дою/К стала Больцмана; Т - абсолютна температура нагриого тша (К); е -коофщяга випромпповання.
Атмосфера поглинае шфрачорвоно випромппо-вання краще. шж свило. Але 1снують так зваш атмосферш вшна для Iх! д1аиазону з межами довжин хвиль 3 4 мм та 8 12 мм. тому шфрачорвош пристро! проектують так. щоб приймати в одному з «в1кон». не дивлячись на те. у якому з них зна-ходиться максимум випромпповання МЛА зидно 1з законом Планка.
Обробка одоржуваного зображення вщбуваеться за допомогою спещалышх алгоритм1в. видшяються область що вщповщають малим бозпшотним лиаль-ним апаратам. тобто вщбуваеться 1х виявлення.
У ряд1 випадшв для того, щоб шдвшцити ефек-тившеть оптичного шфрачорвоного методу викори-стовують «комплексування». тобто на основ1 оптичного шфрачорвоного зображення формусться за-гальне штегралыге зображення виходячи з даних парщалышх зображень.
Максимальну далыисть виявлення малих без-пшотних лиалышх аиаратав (з температурою Т) пасивними шфрачервоними системам К<1ч (м) ви-зиачають за иаступиим виразом [4]:
Дт
/
Рг
• JC.T.(A)d(A), (3)
nopiT
=230м.
4^ 4.3910-9
Для збшынення 1мов1рносп дотоктування малих бозшлотних „шталышх аиаратав у шчний час. зазви-чай використовують теплов1зшш камери. У цьому випадку зображення формуються в шфрачервоно-му д1апазош електромагштних хвиль.
Основне тепло видшяеться зазвичай силовою установкою МЛА. в меишому ступеш електронни-ми компонентами, а також точками гальмування на несучих краях крил. проиелер1в 1 гвштв [3]. Розробники БПЛА. щоб запобкти вииромшешпо в шфрачорвоному д1аиазош в напрямку розташова-них на земл1 ириймач1в. намагаються або направити його в сторону неба, створюючи нов1 спощалып кон-струкщТ дрошв. або використовувати матер1али з низькою випромпповалыгою здатшетю. наприклад. ср1бло та алюмппй [8].
Мат бозпшотш лиалып аиарати можливо ви-явити за 1х випромпповалыгою здатшетю. контрастом та площою випромпповання.
Розподш штенсивноста випромпповання для ре-альних (йрих) тш Лс.т.(А, Т) визначають за законом Планка [9]:
_ 2^с2 1 ¿с.-с. = е • гЁ 7,
а ект\ — 1
де Ь = 6, 62 • 10-34 Дж-с — стала Планка; с = 2, 998 • 108 м/с — швидкшть поширення елек-тромагштних хвиль у вакуум1; А — довжина хвил1
де S4i4 - площа проекцй' МЛА на картинну илощи-ну. перпенднкулярну напрямку спосторожоння щл1
2S
рп 14 пристрою (м2); коеф1щепти пропуска-
ния приймального пристрою; Рпор1ч _ порогова чу-тлпв1сть приймального пристрою (Вт/см2); Ai, А2 меж1 спектрального д1апазону приймального пристрою (мкм)-, тср (А) - сиектральний коефщент пропускания середовища.
За формулою (3) розрахуемо максимальну даль-nicTb детектування малого безпшотного лиального апарату «DJI Mini 2 Fly More Combo» за допомогою шфрачорвоно! системи.
За законом Планка нообхщно визначити розподш ÍHTeHCHBHOCTÍ випромшювання . (A, T) для ci-рого тша ( ) при довжип1 хвил1 А = 2 мкм. MaTepian корпусу дроиа «DJI Mini 2 Fly More Combo» пластик. тому зидно з [10] коеф1щя!т випром1июваиия е = 0.95, при температур! оточуючого середовища 20° С абсолютна температура narpiTo'í д1лянкп малого безп1лотного лиального апарату дор1вшоватиме 298 К, вщповщно значения íiitciiciibiioctí випром1-шовання дрону:
Je
2^ • 6.62 • 10-34 • (3 • 108)2 0.95--_ _ „^-— х
(2 • 10
-^5
' 6.62 10-34 3108
e 1.38 10-23 298210-6 — 1
362.384
Дж
А
2
А
1
За формулою (3) максимальна далыисть виявлоння малого бозшлотного „штального апарату «DJI Mini 2 Fly More Combo» дор1внюе:
Rt
f
033 1.963 10-3
r-1000 10-
4.39 • 10-3
1 • 362.384d(A)= 73m.
/0.78 10-
Бездоганш шфрачорвош пристро! спосторежен-ня знаходяться лише на стада розробки. а детекту-вання малих „шталышх аиаратав з1 слабким випро-мпнованням можливе лише за малих тшосних кутв. ириблизно 5°. На практищ ефективний процес де-тектування дрошв потребуй створення спощалышх високочутливих шфрачервоних пристрсмв, розробки спощалышх алгоритхйв огляду простору та прийня-ття ршмння про наявшеть цЬп або и вщеутшеть у зош контролю. Основними тохшчними характеристиками таких систем с далыисть 11 да та час огляду. Щ характеристики визначають за ступенем опттизада' вах елементав \ алгоритхйв снстемн де-тектування безпшотних «шталышх апаратав. Щлм того, для контролю великих тшосних кутв потрь бш багатоироменев1 шфрачорвош системи. у яких деяка кшьшеть нерухомих иромешв "очшують" про-льоту цЫ [11].
2.2 Радюлокацшний метод
Радюлокащйний метод використовусться в двох режимах активног 1 пасивног радюлокащь
Активний метод радюлокащ! с досить ефектив-ним. оскшьки мае досить великий 1мпульсний об'см пошуку. а також значну дальшеть виявлоння [12]. При використанш цього методу радюлокащйш стенда' вииромпноють зондуючий сигнал, коли вш вщби-ваеться ввд МЛ А, то надходить на приймач сташщ. Дат ввдбувасться процес анатзу сигналу, звщки ми можемо впзначатп просторов! координата. дальшеть знаходження малого „штального апарату. а також отримувати деяку додаткову шформадао про об'ект.
Зокрема. в сигнал! мштиться шформащя про сам об'ект. його тип. кшьшеть гвштв, стушнь за-вантажоноста. Така шформащя мктиться в мшро-доплор1вськш сигнатурь яку ми «витягуемо» з сигналу. що приходить на вхщ системи (рис. 4).
Радюлокащйш системи дозволяють детектувати дрони на досить велший ввдеташ. порядка досятшв кшометр1в. якщо вони досить велиш за розм1ром (бшына площа вщбиття сигналу) та мають значну вагу, ало максимальна далыисть виявлоння значно зменшусться в м1ру зменшення ваги та розм1р1в безпшотних „шталышх аиарапв. Для МЛА вона ириблизно стаиовить одииищ км або сотш метр1в. В таких умовах буде иедостатньо часу, щоб привести методи протида в функщональну готовшеть. Також на яшеть детектування впливае 1 те. що ба-гато безпшотних „шталышх апарапв виготовляють 1з композитиих матор1атв, тому електромагштш
хвил1 проходять кр1зь поверхшо дрошв та лише частково вщбиваються вщ не! [13].
Дальшеть виявлоння малого бозшлотного ль тального апарату «DJI Mini 2 Fly More Combo» активною радюлокацшною стапщею Rpnc«x (м) м0~ жиа визначити за таким виразом [12]:
Д
рлс„
I ДперСПрСперА2СТщд
(4n)3Pj
(4)
поРмс
де Pnep - потужшеть передавача (Вт); Gnep - ко-ефдаент шдсилення иередавально! антенн; Gnp -коефдаент шдсилення приймально! антенн; <тМла _ ЕПР малого безшлотного лиального апарату (м2); PnopPJIC^ порогова потужшеть сигналу на вход1 при-ймача РЛС (Вт).
Для розрахунку максимально! далыгосп виявлоння малого бозшлотного „штального апарату bí-зьмемо РЛС дециметрового д1апазону з потужшетю передавача 1.5 кВт, з коофдаентами шдсилення пе-редавалыю1 (2500) та приймалыго! (3000) антенн.
ЕПР квадракоптеру «DJI Mini 2 Fly More Combo» 2
мальна потужшеть сигналу на вход1 прнймального пристрою радюлокацшно! стапцп' 1.52 • 10-12 Вт. Шдставимо значения параметр1в у (4):
R
•рлс„
/1.5 • 103 • 2500 • 3000 • 0.252 • 0.033 (4^)3 • 1.52 • 10-12
-=936^м.
Досить 1нформативним с пасивний метод ра-дюлокащь При використанш цього методу засо-би рад1отох1пчно1 розввдки (РТР) виявляють мал1 бозпшотш .штальш апарати шляхом приймання та ана-шзу рад1осигиал1в. як1 випромпноються рад1о-засобами. наприклад. для встановлення зв'язку з пультом керування. для передач! ввдео зображення. одержуваного безпосередньо за допомогою дрона або для отримання нав1гащйно1 1нформащ1 тощо. Таш радюолоктронш засоби зазвичай розташоваш безпосередньо на борту МЛА.
Але пасивна радюлокащя дозволяс встановити лише напрямок руху безпшотних „шталышх апара-пв. а точшеть детектуваиия зростас з1 збшьшеиия часу спостережения. Проте цей метод забезпечус досить велику дальн1сть виявлоння. яка внзначасться за наступною формулою [14]:
Д,
=
/
PmGm(е, (е,!3)\2
(4ж)2РТ
(5)
де Рджртр нювання (Вт); (е, Р)
потужшеть сигналу джерела внпром1-■дж(с, у) коефдаент шденлення
6
6
Рис. 4. М1кро-доплер1вська модулядая сигналу МЛА
антенн джорола випромпиовання залсжно ввд сфе-ричних координат; С^ (е,Р) - коефшдент шдсиле-ння антенн сташщ РТР залсжно вщ сферичних координат; Рпор - иорогова потужшсть сигналу на входа приймача сташщ РТР (Вт).
Однак мат бозпшотш лиалып апарати можуть здшсшовати патт в автономному рожимь тоб-то в умовах радюмовчання. або 1з використанням оптико-волоконних лппй зв'язку. у таких вииадках переваги пасивного методу зводиться практично до нуля.
2.3 Акустичний метод
Наступний метод виявлоння малих безпшотних „шталышх апарапв полягае в прийохй акустичного сигналу, який випромппоеться через обортання но-сучих гвшшв дрону. його двигушв. а також шухйв мохашчного походження.
За своею структурою акустичний сигнал МЛА являе собою сукупшсть гармошчних \ широкосмуго-вих складових вщ 1 кГц до 12 кГц. Кратш гармошки спектру стдують з частотами fi = fo • де fo - частота запалювання, а г = 1,2,... - номер в1дпов1дно1 гармошчнси складово!. На високих частотах псрю-дичшсть спектру акустичного випромпиовання пропадав та починаеться процес випадкового походження. «Вихлопний тракт двигуна формус в середовищг поайдовнгсть гмпульсгв тиску, частотний спектр яког с комбгнацгсю гармонгчних г широкосмугових складових» (Рис. 5) [15].
Акустичний шум посилюеться з1 зростанням р1в-ня потужноста двигуна [8]. Шум оточуючого середо-вища робить детектування МЛА за 1х акустичною сигнатурою складною задачею. Але оскшьки мат бозпшотш лиалып апарати мають мат шфрачср-вош та радюлокащйш сигнатури. то використания акустичних систем е дуже актуалышм питаниям на
сьогодшшнш день. Акустичш сенсорн детектування працюють у паснвному режимь
Л*
j
л
V
2100 Частота, Гц
Рис. 5. Спектр акустичного випромпиовання роботи силово1 установки МЛА
Далыпсть виявлоння акустичного сигналу ввд
малих безпшотних лиальних аиаратав R визначаеться за формулою:
'акуст
д
-акуст
(м)
(6)
де 1с, 13 - штенсившсть сигналу та завади на вхо-до приймача; q - ввдношення сигналу до завади; гс - ввдстаиь, для яко! визначено акустичний тпск випромпиовання (м).
Проанатзувавши формулу (6). можна зробптп внсновок. що при зменшенш величиии входного акустичного сигналу, якнй впевнено рееструе прнймач. зростае максимальна вщстань детектування малих безпшотних шталышх апарапв. тобто джерел випромпиовання.
За результатами власного дослвджения. проведе-ного за аналопею до експерименту у [16]. при за-даиих ймов1рностях виявлеиня О = 0.90 та хибно! тривоги Е = 10-3, сшввщношенню С/3 по штен-сивноси (параметр виявлепия) q2 = 0.13 та р1знп-Ш р1вшв Ь = 26, максимальна ввдстань виявлеиня
0
г
с
малого лиальпого апарату «DJI Mini 2 Fly More Combo» приймачем Í3 параметрами налаштування Д/ = 2100 Гц (ефективна смуга частот) становить приблизно 75 м.
Особливкть виявлоиия малих безпшотних ль талышх апарапв полягае в тому, гцо нодостатньо провести тшькн енергетнчне виявлоння виявити деяку матер1альиу точку. Також необхщно Biipinni-ти задачу розшзнавання. тобто необхщно вщлзнити МЛА вщ птах1в. Локащйш характеристики дрошв i птах1в дуже близькь тому це завдання в цшому с досить важким.
3 Обговорення результатов
Основними показниками ефективноста виявлоння малих безпшотних лиалышх аиарапв с максимальна далыпсть детектування цйл R (Рис. ) при задапих ймов1рпостях правильного виявлеиня D та хибно! тривоги F, po3MÍpi плонц огляду иристроТв Sorn j а також плонц впявлення МЛА SBHimn f ]•
Впзначпмо та проанатзуемо переваги та подотки основних метод1в виявлоння малих безпшотних „шталышх аиарапв.
Оптичний метод значно залежнпй вщ фак-TopiB оточуючого середовпща. Bin використовуе-ться у свилу пору дня для шдвищення роздшово! здатносп камер спостережения.
Основними перевагами внкорнстання оптичного методу е:
— виявлеиня МЛА, що не мають радючастот-ног передача;
— onmuHui датчики с пасивншш пристроялш;
— велика далыпсть розтзнавання щлц
— низька вартлетпь оппшчних ceucopie.
На яшеть та максимальну вщетань детектування безпшотних лиалышх аиарапв оптичними сенсорами впивають:
розлири, форми та материал корпусу МЛА;
3i змеишеииям розм1ру безпшотних „шталышх аиарапв. зростае складшсть його виявлоння та зменшуеться максимальна вщетань ycniniiioi' детек-Щ1 об'екту. Форма дрошв та матер1ал noBopxni корпусу впливае на його освилошсть та контрастшсть до оточуючого середовища.
noeoOni умови та пора дня;
Mauii бозпшотш «штальш апарати неможливо виявити у хмарну погоду, туман та якщо освилошсть фону оточуючого середовища й об'екта однаковь Також оптичш системи не ефективш теля заходу сонця.
впливи атмоарери;
Забруднення атмосфери суттево попршуе види-мкть для оптичних сенсор1в. ало через водяш пари в атмосфер! сонячш промош вщбиваються вгору. що може шдвшцити р1вень освилоноста МЛА.
зона огляду.
Максимальна вщетань детектування цш дося-гаеться шляхом звуження поля зору камер спо-стереження. це вщповщно зменшуе зону огляду та збшынуе час пошуку.
1нфрачервоний метод виявлоння мае схожМ переваги з оитичним. ало Iх! спсхйб детектування дрошв використовуеться вночь
3 недолив цього методу можиа видшити наступив
сиощалып консгпрукцп та материал корпусу для зменшення випромпповальнсм здатность контрастноста та плонц випромпиовання малих безпшотних „шталышх апарапв:
невысока максимальна далыпсть виявлетш об'сктлв;
Ьиррачервоне випролинювання добре поглина-сться атмосферою, окр1м вжон з межами дов-жии хвиль 3 4 18 12 мм.
вузька зона огляду.
Перевагами методгв 1з використаиням радго-локацгйних систем е:
— далыпсть виявлетш МЛА в ылометрах;
+ сектор огляду 360°;
— активна датчики можуть пращовати вдень та вночк
— надають детальну гнфюрмащю про об'скт: далыпсть польоту. рад1альну швидшеть. роз-хйри, типи 1 навиь форми БПЛА. дозволяють локал1зувати його за кутом мкця / азимуту на велнкнх дистанщях.
Основними вадами внкорнстання систем радю-локащ! е:
низька мобиыпеть та прихованшпь РЛС станцт;
розлири, форми та материал корпусу зменшу-ють в1дбивальну здатнкть МЛА;
У малих безпшотних лиалышх апарапв мошна площа вщбиття електромагштно1 хвиль також 1х корпуси зазвичай виготовляють з композитних ма-тер1ал1в або иокривають радкягоглиналышми мате-р1алами. що значно зменшуе р1вень вщбитого сигналу у напрямку приймача рад1олокащйних станщй.
РЛС «атп» у ближнт зонц
Рис. 6. Сектор огляду та максимальна далыпеть дстсктувашга МЛА «DJI Mini 2 Fly More Combo»
основними методами
Проте метод пасивно1 радюлокащ! буде неефек-тивним, коли мат безшлотш лиалып апарати бу-дуть перебувати у режим1 автономного польоту або використовувати оитико-волокно для зв'язку з ко-мандним пунктом.
вар'шщя конструкций станцт за призначен-пям, диапазоном довжини хвиль, методом ди та характером иосгя.
Перевагами акустичного методу е:
— пасивнкть датчиков та гх низька вартлетпь;
+ сектор огляду 360° — одночасно можна мош-торити всю илощу огляду 8огп ;
— незале-лени-ть епд оточуючого рельефу;
— высока точни-ть виявлення об'сктлв.
3 основних недолшв можна видшити наступи!:
вплыв фоновых шум;ю оточуючого середови-ща;
малый р 'юень звуковог потуж-ностл та ■широка смуга частот;
высокий р 'юень апрщтог невизначеностл в°1д-носно структуры акустичних сигналю МЛА та завад.
Висновки
Мотоди з використаиням систем радюлокагщ показали иайкрагцу максимальну ввдетань для уеш-шного виявлення МЛА, навиь якгцо вш працюе в автономному режим1 (не випромпное радючастотш сигнали), але основним нсдол1ком с те, гцо вей РЛС «слшЬ> в ближшй зош, тому якщо дрон буде ироль тати на близькш вщеташ до станщ!, його виявлення буде неможливим.
Через новисокий р1вень ефективноста пошуку малих бсзпшотних „шталышх апарапв, оптичний метод краще використовувати як допомЬкшй до бшын д1евого методу, наириклад до радкшокащй-ного.
Акустичш антенш пристро!, через 1х малу максимальну далыпеть виявлення, але волику площу огляду та можлившть працювати у будь-який перюд дня, також можуть бути використаш як додатко-вий метод детектування 1 супроводження МЛА, що лиають на низькш висоп до поверхш земль
Шдсумовуючи вищосказано, для швидкого та ефективного виявлення малих безишотних лиаль-них апарапв проионусться використовувати комбь новаш систоми, яш надають даш, одночасно отри-маш ввд декшькох р1зних тишв датчишв. Радкшо-кацшш станщ! нообхщш для детектування дрошв на великих ввдетанях до об'ектав, а для захисту «ближньо! зони» иропонусться встановити оптичш та шфрачервош сенсори або акустичш датчики.
Проанал1зувавши ociiobiií мотоди локатзащ!, класифшацп' та ввдетеження малих безишотних ль талышх аиарапв можна зробити висновок, що на ефектившеть детекцп' дрошв значно виливають се-редовище поширення сигнал1в, noMÍTiiicTb об'ектав у радкшокащйному, шфрачервоному та оптичному д1апазонах довжин хвиль та фактори, пов'язаш з пристроями сиостереження.
Але оскшьки мат безшлотш лиальш апарати мають невнеокнй р1вень шфрачервоного вииромь шовання та радкшокацшних сигнатур, у nopiBiraiiiii, наприклад, з шлотованою ав1ацкю, то актуалышм питаниям на сьогодшшшй день стае розробка систем детокцп за допомогою акустичних сигнал1в з великою максимальною вщеташно виявлення до цЫ.
Перелж посилань
1. Dalamagkidis К. Classification of UAVs / К. Dalamagkidis // Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. "2015. pp. 83-91.
'2. Соловьев В. Л. Проблемы обнаружения беспилотных летательных аппаратов оитикоэлектроииыми устройствами / В. Л. Соловьев. Л. В. Куиреев. М. В. Жеида-рев. 11. В. Якименко // Электронный математический и медикобиологический журнал. 2011. Т. 10. Вып. №3. С. 1 13.
3. Дэдшк Ю. Г. Лцалк! ефективиоетт виявлення такти-ЧШ1Х безшлотиих .;iiTa;ibimx апараттв пасивиими та активиими засобами спостережения / Ю. Г. Даиик. М. В. Вугайов // зб. наук. пр. "Проблеми створеиия. вииробуваиия. застосуваиия та ексилуатацп складиих шформащшшх систем". 2015. Вин. №10. С. 5-20.
4. Торопчии Л. Я. Довщиик з иротииовггряшн оборони / Л. Я. Тороичии. 1. О. Ромашшко. Ю. Г. Даник та in. К.: МО. 2003. 366 с.
5. .ileiiix Я. 1. Оитико-електроиш системи ближиьо! ло-каци: моиографЫ / Я. 1. .ilenix. В. 1. Саитошй, Л. М. Вуд1яиська та iiiui. За редакщею Лешха Я. 1. Од: Одес. нац. ун-т ¡м. 1. 1. Мечникова. 2019. 294 с.
6. Сухаревський О. 1. Розрахуиок рад1олокац1йиих характеристик модеш бозшлотного лггалышго апарату RQ-1 "PREDATOR"/ О. 1. Сухаревський. В. О. Васи-лець. Я. О. Велевщук. К. 1. Ткачук // Системи обробки ¡иформацй'. 2012. Вин. 5(103). с. 68-72.
7. Михайлов Л. Л. Применение оборудования охранных телевизионных систем в условиях ограниченной видимости или других дестабилизирующих факторов / Л.Л. Михайлов. Л. В. Котельников. Ю. В. Тарасова. М. В. Ваижа. Л. Л. Никитина. Л. Г. Зайцева. М.: НИЦ "Охрана". 2015. 111 с.
8. Austin R. Unmanned aircraft systems: UAVS design, development and deployment / R. Austin. Chichester. UK: John Wiley and Sons Ltd. 2010. P. 113 127.
9. Гришин Ю. П. Радиотехнические системы: учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю. П. Гришин. В. П. Ипатов. Ю. М. Казаршшв и др. М.: Высшая школа. 1990. 496 с.
10. Таблица сиектралышх коефщеиНв вииромшюва-1шя. https://www.icsgroup.ru /upload/iconsult/301/ Fluke-emissivity-factor.pdf.
11. Выстров P. П. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Р. П. Выстров. Г. К. Загорий. А. В. Соколов. Л. В. Фёдорова. М.: Радиотехника. 2008. С. 318.
12. Ширмаи Я. Д. Теоретические основы радиолокации / Я. Д. М. : Сов. радио. 1970. 561 с.
13. Bool .1. .1. Anti-UAV Defense For Ground Forces and Нуpervelocity Rocket Lethality Models / .1. .1. Beel. Monterey. California : Naval Postgraduate School. 1992. P. 36 4б".
14. Куприянов А. И. Радиоэлектронные системы в информационном конфликте / А. И. Куприянов. А. В. Сахаров. М: Вузовская книга. 2003. 528 с.
15. Самохин В. Ф. Экспериментальное исследование источников шумности беспилотного летательного аппарата с винто-кольцевым движителем в толкающей компоновке / В. Ф. Самохин. С. П. Остроухов. П. А. Мошкой // Электронный журнал «Труды МАИ». 2012. Выи. № 70. С. 1 24."
16. Козерук С. О. Виявлоиия малих лггалышх аиараттв за акустичиим вииромшюваииям / С. О. Козерук. О. В. Коржик // BicuuK НТУУ "Kill". Copin Радштехшка. 1>ад1оаиаратобудуваиия. 2019. Вии.76. с.15-20
17. Горбунов В. А. Эффективность обнаружения целей / В. А. Горбунов М.: Военное издательство. 1979. 160 с.
References
[1] Dalamagkidis K. (2015). Classification of UAVs. Handbook of Unmanned Aerial Vehicles, pp 83-91. DOLIO. 1007/97890-481-9707-1-94.
[2] Solovjov V. A.. Kypreev A. V.. Zhondarov M. V. and Yakimenko 1. V'.(2011). Detection problems pilotless Hying machines optiko-electronic devices. Mathematical morphology. Electronic mathematical and biomedical journal, Vol. 10. Iss. 3. pp. 1 13. [In Russian].
[3] Danik Yu. G.. Bugayov M. V. (2015). Analysis of the effectiveness of the appearance of tactful, unpowered lithal devices by passive and active means of caution. Problems of creation, testing, application and operation of complex information systems. Iss. 10. pp. 5-20. [In Ukrainian].
[4] Toropchyn A. Ya.. Romanenko 1. O.. Danyk .lu. Gh. and Pashhenko R. E. (2003). Vouidnyk z protypouitrianoi oborony [Air Defense Reference Book]. Kyiv. 366 p. [In U krainian].
[5] Lepich Ya. 1.. Santoniy V. 1.. Budiyanska L. M. Ivanchonko 1. O. and Yanko V. V. (2019). Opt.yko-elektronni systemy blyzhnoyi lokatsiyi: monohrafiya [Optical-electronic systems of near location: monograph]. Odessa: Odessa 1.1. Mechnikov National University. 294 p. ISBN 978-617-689-298-4. [In Ukrainian],
[6] Sukharevsky O. 1.. Vasilets V. O.. Bolovshchuk Ya. O. and Tkachuk K. 1. (2012). Calculation of radar characteristics of the RQ-1 "PREDATOR" unmanned aerial vehicle model. Information Processing Systems, Iss. 5(103). pp. 68-72. ISSN: 1681-7710. [In Ukrainian],
[7] Mikhailov A. A.. Kotelnikov A. V.. Tarasova Yu. V'., Vanzha M. V.. Nikitina A. A. and Zaitsev A. G. (2015). Primeneniye oborudovaniya okhrannykh tolovizionnykh si-stem v usloviyakh ogranichennoy vidimosti ili drugikh dostabiliziruyushchikh faktorov [The use of security television systems equipment in conditions of limited visibility or other destabilizing factors.] Moscow. NITS «Okhrana». Ill p. P 78.36.049-2015. [In Russian],
[8] Austin R. (2010). Unmanned Aircraft Systems: UAVS Design, Development and Deployment. Chichester. UK: John Wiley and Sons Ltd.. pp. 113 127. DOLIO.1002/9780470664797
[9] Grishin Yu. P.. Ipatov V. P.. Kazarinov Yu. M. et al. (1990). Radiotokhnichoskiyo sistemy: uchebnik dlya vuzov po spetsialnosti «Radiotokhnika» [Radio engineering systems: Textbook for universities in the specialty "Radio Engineering".] Moscow. Graduate school. 496 p. ISBN 506-000687-5. [In Russian],
[10] Emissivity values of common materials (2008). Available at: https:// www.icsgroup.ru/upload/iconsult/301/ Fluke- emissivity-factor.pdf .
[11] Bystrov R. P.. Sokolov A. V. (2008). Passivna radio-electronica. Metodi obnaryushoniya ob:ektov [Passive radar. Object detection methods]. Moscow. Radiotokhnika. 318 p. ISBN 978-5-88070-186-5. [In Russian],
[12] Shirman Ya. D. (1970). Teoreticheskiye osnovy radi-olokatsii [Theoretical foundations of radar ]. Moscow. Soviet radio. 561 p. [In Russian].
[13] Bool .1. .1. (1992). Anti-UAV Defense Requirements for Ground Forces and Hypervelocity Rocket Lethality Models. Monterey. California: Naval Postgraduate School, pp. 36 46. A.N: ADA252727.
[14] Kupriyanov A. 1.. Sakharov A. V. (2003). Radi-ooloktronnyyo sistemy v informatsionnom konllikto [Electronic systems in information conllict]. Moscow. Vuzovskaya kniga, 528 p. ISBN 978-5-89522-456-4. [In Russian].
[15] Samokhin V. F.. Ostroukhov S. P.. Moshkov P. A. (2012). Experimental study of the sources of noise of an unmanned aerial vehicle with a propeller-ring propeller in a pushing arrangement. Electronic journal t'Drudy МЛ1», Moscow. Iss. 70. pp.1-24. [In Russian].
[16] Kozeruk S.O.. Korzhyk О. V. (2019). Detection Small Aircraft by Acoustic Radiation. Visnyk N'l'UU KP1 Seriia -Radiotckhnika tiadioaparatobuduuannia, Vol. 76. pp. 15-20. DOl: 10.20535/RADAP.2019.76.15-20. [In Ukrainian],
[17] Gorbunov V. A. (1979). Elfektivnost obnaruzheniya tseley [Target detection efficiency]. Moscow. Voyennoye izdatelstvo Ministorstva oborony SSSR. 160 p. [In Russian].
Обзор методов обнаружения и локализации малых беспилотных летательных аппаратов
Сокольский С. О., Мовчанюк А. В.
Беспилотные летальные аппараты (ВПЛА) или дро-пы широко используются во многих сферах, по в то же время начало стремительно расти количество правонарушений с их использованием. Поэтому задача обнаружения дропов актуальна. Целыо исследования, приведенного в статье, является сравнение и критический анализ основных методов и средств обнаружения малых беспилотных летальных аппаратов (МЛА). В работе были исследованы потенциальные возможности следующих методов обнаружения дропов: оптический метод, радиолокационный и акустический методы. Установлено. что оптический метод предполагает использование камер с высокой разрешающей способностью в светлое время дня. по он слишком зависим от природных факторов окружающей среды, например дождя или тумана. В темное время суток для детектирования дропов обычно используют инфракрасные оптические устройства. Основными недостатками такого подхода являются невысокая максимальная дальность обнаружения цели и поглощения атмосферой инфракрасного излучения. кроме «окоп» с пределами длил волн 3 4 и 8 12 мм. В результате приведенных расчетов установлено, что дальность определения цели оптическим методом составляет около 230 метров, а с использованием ПК приемника 73 метра. Указано, что радиолокационные методы делятся па активные и пассивные. Радиолокационные системы (РЛС) могут работать в любую пору суток и позволяют обнаруживать МЛА па расстояниях до нескольких километров (9,3 км). В результате анализа спектра радиочастотного сигнала можно получить наиболее подробную информацию о цели. Основным недостатком радиолокационных методов является то. что все РЛС не работают в ближней зоне. Установлено.
что акустические сенсоры позволяют эффективно обнаруживать малые беспилотные летательные аппараты, несмотря па рельеф окружающей среды, по результаты зависят от имеющихся акустических фоновых шумов и помех. Эффективная дальность обнаружения цели составляет около 75 метров. В статье приведены сравнения результатов расчета, па основе экспериментальных данных, дальности обнаружения малого беспилотного летательного аппарата «DJI Mini 2 Fly More Combo». В выводах исследования указано, что наиболее эффективным подходом является комбинация известных методов выявления ВПЛА и падапы рекомендации, касающиеся построения таких систем.
Ключевые слова: дроп: малый беспилотный летательный аппарат: МЛА: детекция: максимальная дальность обнаружения
Overview of Detection and Localization Methods of Small Unmanned Aerial Vehicles
Sokolskyi S. O., Movchanyuk A. V.
Unmanned aerial vehicles (UAV) or drones are widely-used in many areas, but at the same time, the number of offenses with their use began to overgrow. Therefore, the problem of detecting drones is relevant. The study presented in the article aims to compare and critically analyze the main methods and means of detecting small unmanned aerial vehicles. The paper explored the potential of the following drone detection methods: optical, radar, and acoustic methods. The optical method has been found to involve high-resolution cameras during daylight hours but is too dependent on natural environmental factors such as rain or fog. In the dark, infrared optical devices are usually used to detect drones. The main disadvantages of this approach are the low maximum range of target detection and absorption of infrared radiation by the atmosphere, except for "windows" with the wavelengths limits of 3-4 and 8-12 mm. As a result of the above calculations, the range of target determination by the optical method is about 230 meters, and with the use of an IR receiver, 73 meters. The radar methods are divided into active and passive. Radar systems can operate at any time of the day and allow detecting low-flying aircraft, at distances of up to several kilometers (9.3 km). By analyzing the spectrum of the RF signal, we can get the most detailed information about the target. The main disadvantage of radar methods is that all radars do not work in the near-field zone. It has been determined that acoustic sensors allow efficient detection of small unmanned aerial vehicles, despite the topography of the environment, but the results depend on the available acoustic background noise and interference. The effective target detection range is about 75 meters. The article compares the calculation results, based on experimental data, of the detection range of the small unmanned aerial vehicle «DJIMini 2 Fly More Combo». In conclusion, the study specifies that the most effective approach is a combination of known methods for detecting UAVs, and recommendations are given regarding the construction of such systems.
Keywords: drone: small unmanned aerial vehicle: UAV: detection: maximum detection range
