CC BY
826
ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКЕ
Михаил Иванович Эпов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, академик РАН, директор, тел. 8 383 333 29 00, e-mail: [email protected]
Игорь Николаевич Злыгостев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник, тел. 8 383 333 30 12, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрен процесс и особенности применения аэрогеофизических технологий с использованием в качестве носителя беспилотных летательных аппаратов, предложена малогабаритная комплексная автоматизированная геофизическая информационно-измерительная система и рассмотрены возможные аспекты её применения.
Ключевые слова: малодоступные и особо охраняемые природные территории, БПЛА, аэрогеофизическая разведка.
THE USE OF UNMANNED AIR VEHICLES FOR AERO GEOPHYSICAL SURVEY
Michail I. Epov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS) Akademika Koptyuga Prsp., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, academician RAS, director, tel. +7 (383) 333-29-00, e-mail: [email protected]
Igor N. Zlygostev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS) Akademika Koptyuga Prsp., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, senior research scientist, tel. +7 (383) 333-30-12, e-mail: [email protected]
The paper covers the process and peculiarities for the use of aero geophysical technologies with unmanned flying vehicles. A small-sized computer-assisted data measurement system is suggested and possible fields of its application are considered.
Key words: hard-to-reach and specially protected natural areas, UAV, aero geophysical survey.
Аэрогеофизические технологии отличаются от других геологоисследовательских технологий высоким темпом обследования труднодоступных территорий, экономичностью, возможностью комплексирования различных геофизических методов дистанционного зондирования и высокой статистической представительностью данных.
Использование для привязки результатов измерений спутниковых навигационных систем обеспечивает высокую точность плановой и высотной привязки результатов измерений.
Последнее десятилетие характеризуется системным увеличением доли аэрогеофизических работ в общей структуре геологоразведки, однако рост объёмов аэрогеофизических съемок в России меньше среднего мирового уровня примерно в 5 раз.
Одна из причин этого состоит в высокой стоимости эксплуатации носителей геофизических платформ (это вертолеты МИ-8, КАА-226, самолеты АН-24, АН,-26, АН-30, ТУ-204-330 и др.), сложности привлечения авиационной инфраструктуры, наличие или создание специальных взлетнопосадочных площадок в районах проведения исследований и, как следствие, ограничение доступа широкого круга исследователей к этой технологии.
Применение беспилотных летательных аппаратов для реализации аэрогеофизических технологий позволит снять вышеупомянутые ограничения для решения широкого класса задач.
Первоначально беспилотные технологии представляли собой сложные и дорогостоящие комплексы, разработанные для применения исключительно в военных целях: в качестве воздушных мишеней (для имитации дозвуковых маневрирующих целей типа «крылатая ракета», «планирующая бомба»), разведчиков (для ведения наблюдения за местностью, оперативного поиска, обнаружения наземных объектов, уточнения метеоусловий в районе цели, ретрансляции спецсвязи) и ударных комплексов, предназначенных для ведения воздушной разведки с возможностью нанесения ударов по отдельным целям в условиях сильного противодействия зенитных средств противника.
В течение последнего десятилетия в развитии гражданских беспилотных систем произошел настоящий прорыв, обусловленный резким снижением габаритов и стоимости электронного обеспечения (систем связи, вычислительных систем, приёмников спутниковой навигации, микромеханических датчиков инерциальных систем навигации, фото- и видеоаппаратуры в видимом и ИК диапазонах) и появлением нового поколения двигательных установок и аккумуляторов.
В настоящее время беспилотные технологии по доступности приближаются к уровню бытовых технологий.
Практический опыт применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) ведущими странами выявил широкий набор гражданских задач, при решении которых они показывают высокую эффективность. К ним относятся мониторинг ЛЭП, нефте- и газопроводов, выявление очагов возгорания в лесах, мониторинг земной поверхности, обеспечение телекоммуникаций, охрана и патрулирование границ.
В России имеется значительный опыт применения БПЛА для решения ряда задач лесоохраны: обнаружения очагов возгорания и мониторинга лесных пожаров, выявления ветровалов, незаконных рубок леса, мест поражения лесов вредителями и т. п.
В качестве носителей аппаратуры наблюдения использовались БПЛА легких и сверхлегких классов: «Дозор-2», «Элерон» и «ZALA 421-04М» [1].
В прогнозе компании Teal Group (США) от 2004 г. отмечено, что в ближайшее десятилетие самыми крупными рынками для гражданской беспилотной авиации будут пограничная охрана, лесное хозяйство и те виды деятельности, где требуется регулярный осмотр линейных и площадных объектов. Ожидается, что к 2014 году половина всех летательных аппаратов будут беспилотными и большую часть составят БПЛА легких и сверхлегких классов.
Направление развития БПЛА идет от универсальности в сторону специализации беспилотных аппаратов и самих комплексов на унифицированных платформах управления, т.е. комплексы, в перспективе, должны создаваться исключительно под целевые требования заказчика. При этом унификация платформы управления позволит формировать один комплекс с набором аппаратов разного класса и типа. Данный подход позволяет снизить стоимость как самого комплекса, так и удельные затраты в период его эксплуатации за счет оптимизации выполнения полетов путем выбора типа аппаратов и полезной нагрузки под конкретные задачи.
Конструктивно БПЛА состоит из летающей платформы (ЛП), системы управления, обеспечивающей управление в дистанционном или в автономном режиме, полезной целевой нагрузки и оборудования для высокоскоростной защищенной передачи цифровой информации.
В легких классах доминирует самолетный тип летающей платформы, как наиболее простой в изготовлении и эксплуатации. В микро и малом классе российским производителем предлагается широкий выбор комплексов [2].
Беспилотные вертолетные типы ЛП представлены во всех классах. Однако стоимость вертолетного БПЛА превышает стоимость самолетного БПЛА аналогичного класса в 2-4 раза и имеет большую сложность эксплуатации. При этом самолет значительно превосходит вертолет по основным рабочим характеристикам.
В последние годы началось бурное развитие нового класса небольших беспилотных мультиротационных летательных аппаратов. Мультикоптеры, в отличие от БПЛА вертолетного типа традиционной продольной схемы с несущим и рулевым винтами и аппаратов сосной схемы, обладают рядом достоинств, таких, как простота и надежность конструкции и схемы стабилизации, а также малую взлетную массу при существенной массе полезной нагрузки, компактность, высокую маневренность и низкую стоимость.
Например, БПЛА типа MD4-1000 фирмы Microdrones GmbH, представляет собой автономный квадрокоптер, предназначенный для выполнения задач в области мониторинга, координации действий, разведки, геодезии, связи и контроля. Обладает модульной концепцией установки полезной нагрузки, которая может состоять из самых разнообразных фото-, видео- и специализированных измерительных систем. Взлетная масса 5,5 кГ, масса полезной нагрузки до 2,3 кГ, скорость полета до 15 м/с, скорость набора высоты 7,5 м/с, высота полета до 1000 м, время полета 70 минут.
Для использования в области аэрогеофизических исследований наиболее перспективными являются лёгкие БПЛА малого и среднего радиуса действия с взлетной массой от 5 до 100 кГ, полезной нагрузкой от 1 до 20 кГ, и радиусом действия до 150 км. При использовании БПЛА малых классов повышается гибкость организации проведения исследований, снижаются удельные затраты, работы могут выполняться согласно оперативным планам в любое время.
Лучшие технические и экономические характеристики имеют летающие платформы самолетного типа, выполненные по схемам "летающее крыло", биплан и мультикоптерные БПЛА с массой полезной нагрузки от 1 до 20 кГ.
Создание многоцелевой комплексной аэрогеофизической информационноизмерительной системы на базе БПЛА представляет большой интерес для компаний, занимающихся исследованием геологического строения Земли и добычей полезных ископаемых, экологией, решением специальных задач (особенно в труднодоступных регионах: арктический и субарктический районы, труднопроходимые лесные зоны, пустынные, экваториальные леса, неспокойные геополитические зоны).
Применение БПЛА в аэрогеофизике предоставляет следующие преимущества по сравнению с пилотируемыми носителями:
- Снижение стоимости работ;
- Возможность использования нового, ранее не практически не используемого, высотного диапазона проведения геофизических съёмок: от единиц до сотен метров;
- Возможность оперативного проведения разновысотной съемки на заданном маршруте;
- Получение более подробной и качественной информации, необходимой для выделения малоконтрастных аномалий;
- Отсутствие необходимости в специальных взлетно-посадочных площадках;
- Обслуживание БПЛА не требует высококвалифицированного летного и технического персонала;
- Возможность оснащения этой системой полевых отрядов и экспедиций, что позволит резко увеличить объемы и качество выполнения исследовательских работ.
Регистрация на борту БПЛА геофизических данных (съемка в оптическом и инфракрасном диапазонах, магнитная съемка, дистанционная электроразведка, гамма-спектрометрия) позволяет использовать эту систему для решения широкого круга геофизических задач, а также для наблюдения за состоянием лесов, ледников, нефте- и газопроводов, естественных водоемов, состоянием поливных земель и водохранилищ, проводить антиселевую и противопожарную разведку, производить контроль тепловых загрязнений, контролировать работу на карьерах, состояние хранилищ отходов, пылящих поверхностей и многое другое. Такой комплекс востребован в геологии,
экологии, землеустроительстве, для предупреждения ЧС, наблюдения за работой горных предприятий.
В настоящее время в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН разрабатывается малогабаритная комплексная автоматизированная геофизическая информационно-измерительная система (АГИИС),
предназначенная для установки на летающие платформы самолетного типа БПЛА малых и сверхмалых классов
АГИИС спроектирована как система открытого типа, состоящая из унифицированных модулей. Такое построение системы позволяет быстро производить её расширение и создавать оптимизированную конфигурацию для решения конкретных задач.
Основной набор разрабатываемых унифицированных модулей включает в себя спутниковую систему навигации (модуль GPS), бесплатформенную инерциальную навигационную систему на основе блока микромеханических гироскопов и акселерометров (модуль БИНС), высокоскоростную (до 30 мб/с) систему передачи цифровой информации с борта ЛП по радиоканалу (модуль СПД), видеокамеры оптического (модуль ТВ) и дальнего инфракрасного (модуль ИК) диапазонов, цифровой фотоаппарат (модуль Ф), магнитометрический канал на базе трехкомпонентных феррозондовых датчиков (модуль ММК) и автоматизированную систему сбора, предварительной обработки и гарантированного хранения полученной информации.
Совместно с Институтом физики им. Л.В. Киренского СО РАН ведется разработка нового класса малогабаритных датчиков слабых магнитных полей, основанных на применении нанокристаллических пленок кобальта и пермаллоя с высокой магнитной проницаемостью в СВЧ диапазоне, которые позволяют произвести измерение вектора напряженности магнитного поля в диапазоне частот от 1 Гц до 200 МГц с разрешающей способностью в десять раз превосходящей лучшие феррозондовые измерители, не имеющих аналогов за рубежом. Применение этих датчиков открывает уникальную возможность создания ранее не применявшегося в традиционной аэрогеофизике автоматизированного канала высокочастотной электроразведки, использующего метод радиокомпарации и пеленгации (РадиоКИП), который дает дополнительную информацию для поиска месторождений и структурного картирования.
Способность БПЛА выполнять полет на малых высотах с огибанием рельефа открывает возможность создания малогабаритного гамма-спектрометра с высокими техническими характеристиками, что значительно расширяет круг решаемых задач разведочной геофизики.
В качестве носителей разрабатываемой АГИИС будут использованы комплексы БПЛА разработанные в Сибирском федеральном университете.
СФУ с 2008 года осуществляет разработку полномасштабных комплексов БПЛА для решения задач дистанционного зондирования Земли, рассматривая геофизическое направление в качестве приоритетного. На данный момент доведена до опытной эксплуатации летающая платформа БПЛА "Дельта" ("летающее крыло"), с максимальной взлётной массой 6кг. Комплекс
используется для аэрофотосъёмочных работ. Создан и отработан бортовой комплекс управления, способный масштабироваться для платформ взлётной массой до 100кг. В настоящее время закончены проектные работы по созданию новой летающей платформы БПЛА «Гамма» (биплан) с максимальной взлётной массой 50кг, производится изготовление опытного образца.
Выполнение в течение полета непрерывного контроля основных параметров всех бортовых систем позволит оптимизировать алгоритмы фильтрации геофизических данных от наведённых помех.
В заключение необходимо отметить, что основным препятствием для широкомасштабного использования гражданских БПЛА является отсутствие нормативно-правовой базы по определению порядка и правил использования воздушного пространства при полетах БПЛА.
В настоящее время применение БПЛА сталкивается с необходимостью преодоления ряда методических и технических барьеров, ограничивающих использования БПЛА в общем воздушном пространстве.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Н.А. Ковалев, В.В. Коносевич и др. Отчет о научно-исследовательской работе " Разработка научно-методических подходов и технологии использования беспилотных летательных аппаратов в лесном хозяйстве"106 с. Пушкино, Государственный контракт № Р-7К-10/12, Федеральное агентство лесного хозяйства, ФГУ «Авиалесоохрана»
2. 1-й Российский сайт о ракетной технике и технологии:ш188Пе8.гц
© М.И. Эпов, И.Н. Злыгостев, 2012
