CC BY
34В.Н. БОНДАРЕВ, Е.Н. ГАРИН,
A.Д. ВИНОГРАДОВ,
B.Н. ТЯПКИН
V.N. BONDAREV, Ye.N. GARIN, A.D. VINOGRADOV, V.N. TYAPKIN
РАБОТАЯ В СЛОЖНЫХУСЛОВИЯХ
WORKING IN DIFFICULT CONDITIONS
БЛА КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ МОНИТОРИНГА РАДИОЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ
UAV AS AN EFFECTIVE TOOL FOR MONITORING RADIO FREQUENCY SPECTRA
Сведения об авторах: Бондарев Виктор Николаевич - председатель Комитета Совета Федерации Федерального Собрания Российской Федерации по обороне и безопасности, генерал-полковник запаса, Герой Российской Федерации, кандидат технических наук (г. Москва);
Гарин Евгений Николаевич - директор Военно-инженерного института ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», полковник запаса, доктор технических наук, профессор (г. Красноярск. E-mail: [email protected] );
Виноградов Александр Дмитриевич - главный научный сотрудник НИИИ ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина», доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ (г. Воронеж. E-mail: [email protected]);
Тяпкин Валерий Николаевич - профессор Военно-инженерного института ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», полковник запаса, кандидат технических наук, доцент (г. Красноярск. E-mail: [email protected]).
Аннотация. Рассмотрены состав и основные характеристики широкодиапазонной станции мониторинга радиоизлучений на беспилотном летательном аппарате вертолетного типа легкого класса, обеспечивающей, в том числе в сложных природно-географических условиях (горы, городская застройка), возможность как многопозиционного, так и однопозиционного определения координат наземных источниковрадиоизлучений в широком (с коэффициентом перекрытия 30) рабочем диапазоне частот. Определены основные проблемные вопросы его разработки.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, радиопеленгование, наземный источник радиоизлучения.
Information about the authors: Viktor Bondarev — Chairman of the RF Federal Assembly Federation Council»s Committee on Defence and Security, Colonel-General (res.), Hero of the Russian Federation, Cand. Sc. (Tech) (Moscow);
Yevgeny Garin - Director of the Military Engineering Institute of the FSAEE ME «Siberian Federal University», Colonel (res), D. Sc. (Tech.), Professor (Krasnoyarsk. E mail: [email protected]);
Aleksandr Vinogradov - Chief Researcher of the Research Testing Institute of the Air Forces» MESC «Air Forces Academy named after Professor N.Ye. Zhukovsky and YuA. Gagarin», D. Sc. (Tech.), Professor, Honoured Inventor of the Russian Federation (city of Voronezh, E mail: [email protected]); Valery Tyapkin - Professor of Military Engineering Institute of the FSAEE ME «Siberian Federal University», Colonel (res), Cand. Sc. (Tech), Associate Professor (Krasnoyarsk. E-mail: [email protected]).
Summary. The composition and main characteristics of the a wide-range station for monitoring radio emissions on the light-class helicopter-type unmanned aerial vehicle, including under difficult natural and geographical conditions (mountains, urban buildings), the possibility of both multi-position and single-position determination of the coordinates of terrestrial radio sources in wide (with overlap factor of 30) operating frequency band. The main problematic issues of its development are identified.
Keywords: unmanned aerial vehicle, radio direction finding, ground source of radio emission.
Реализуемые технические возможности наземных средств мониторинга радиоизлучений (МР), основанные на применении пеленгатор-ных антенн, размещаемых в ограниченных объемах пространства на малых высотах от поверхности Земли, радиопеленгаторов, обеспечивающих пеленгование только в азимутальной (горизонтальной) плоскости, приводят к ограничению рабочей зоны средств МР и невозможности определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) одним средством МР. Кроме того, существующие наземные комплексы МР, реализующие многопозиционный метод местоопреде-ления РЭС, не обеспечивают возможность обнаружения с требуемой дальностью и определения координат ИРИ с требуемой точностью в сложных природно-геогра-фических условиях (горы, городская застройка), существенно искажающих структуру земных радиоволн. Наи-
более эффективным способом устранения вышеупомянутых ограничений и недостатков является использование беспилотных летательных аппаратов (БЛА) вертолетного типа (ВТ), обладающих рядом преимуществ по сравнению с БЛА самолетного типа.
При использовании для ведения МР БЛА ВТ, имеющих возможность зависания, в том числе и в произвольной точке пространства, местоопределе-ние может быть реализовано с применением способа определения координат наземного ИРИ при радиопеленговании с борта ЛА (см. схему 1).
При определении азимута ИРИ формируется полуплоскость положения (см. схему 1, а). При определении угла места формируется коническая поверхность положения (см. схему 1, б). Пересечение в пространстве указанных поверхностей образует линию положения, пересекающую земную поверхность в точке расположения ИРИ. Коорди-
наты этой точки с поверхностью Земли вычисляются с использованием итерационной процедуры, параметры которой зависят от изрезанности рельефа земной поверхности в зоне радиопеленгования.
Особенностями данного способа определения координат наземного ИРИ являются формирование линии положения наземного ИРИ без использования информации о параметрах поверхности Земли и выбор параметров итерационной процедуры определения координат наземного ИРИ в зависимости от изрезанности рельефа земной поверхности в зоне радиопеленгования, что обеспечивает повышение точности определения координат наземного ИРИ при одновременном снижении вычислительных затрат. В качестве варианта построения радиопеленгатора для реализации данного способа выбран азимуталь-но-угломестный радиопеленгатор с объемной антенной решеткой.
Схема 1. Иллюстрация способа определения координат наземного ИРИ при радиопеленговании с борта БЛА
1 - антенные модули аппаратуры навигации МРК-101; 2 - радиомодемы аппаратуры передачи данных; 3-объемная бортовая пеленгаторная антенная решетка
Фото 1. Экспериментальный образец широкодиапазонной станции радиоразведки на БЛАлегкого класса «Ворон-120»
Для апробации предлагаемого однопунктного способа местоопределения разработан экспериментальный образец широкодиапазонной станции мониторинга радиоизлучений на базе БЛА ВТ легкого класса (см. фото 1), созданного КБ «Искатель» кафедры «Авиационные и ракетные системы» Московского авиационного института. Основные технические характеристики экспериментального образца широкодиапазонной станции МР на БЛА ВТ представлены в таблице 1.
Компоновка вертолета выполнена по классической схеме одновинтового вертолета с рулевым винтом. Все агрегаты вертолета монтируются на силовом каркасе фюзеляжа ферменной конструкции. На вертолете установлена двухлопастная несущая система с полужестким креплением лопастей к втулке несущего винта и аэромеханическим стабилизатором «Белл-Хиллер». Данный тип несущей системы обладает рядом преимуществ: меньшая масса по сравнению с
Таблица 1
Основные технические характеристики экспериментального образца широкодиапазонной станции МР на БЛА ВТ
№ п/п Наименование характеристики Значение
1 Рабочий диапазон частот УКВ
2 Радиальная СКО определения координат наземных ИРИ, % от дальности до ИРИ: - в режиме однопозиционного местоопределе-ния при удалении ИРИ до 15 км; - в режиме многопозиционного местоопреде-ления при удалении ИРИ до 15 км; - в режиме многопозиционного местоопреде-ления при удалении ИРИ более 15 км 4...6 2 3.10
3 Высотность применения, км до 5
4 Время непрерывной работы, ч 5
5 Дальность передачи информации в направлении БЛА ВТ - наземный пункт управления, км До 50
6 Максимальный взлетный вес БЛА ВТ, кг 120
7 Максимальный вес целевой нагрузки БЛА ВТ, кг 35
другими типами, применение серийных лопастей, малая нагрузка на сервоприводы, высокие динамические характеристики, позволяющих выполнять автоматический полет при ветровой нагрузке при старте до 15 м/с и в полете до 25 м/с.
Комплекс управления состоит из бортовой и наземной компонент, предназначенных для автоматизированного и автоматического управления БЛА на всех этапах, во всем диапазоне высот и скоростей полета. Бортовой комплекс управления состоит из блока вычислителя со спутниковым навигационным приемником и антенной, блока чувствительных элементов бесплатформенной инерциальной навигационной системы (ИНС), магнитометра. Основным режимом комплекса управления БЛА является автоматический полет вертолета по заданному маршруту с остановками или без, в указанных точках и выполнением определенных операций (сброс или включение аппаратуры) при достижении операционной точки полета.
Для определения координат и скорости движения БЛА, а также пространственной ориентации (измерения азимута, тангажа и крена) установленной на нем БПАР используется уникальная, единственно в РФ серийно выпускаемая навигационная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS типа МРК. Данная аппаратура разработана в Военно-инженерном институте Сибирского федерального университета (г. Красноярск) и внедрена в серийное производство в АО НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск).
Аппаратура обеспечивает погрешность определения координат не более ±20 м в
плане и не более ±30 м по высоте; погрешность определения составляющих вектора скорости не более ±0,1 м/с; погрешность определения углов пространственной ориентации: курса - ±40о, тангажа и крена - ±70о, погрешность определения относительных координат двух комплектов аппаратуры (при доверительной вероятности 0,67) не более: в плане ±1 м, по высоте ±2 м.
Основной источник электропитания на борту - генератор переменного тока выходной мощностью до 2 кВт без изменения паспортных программно-летных характеристик вертолета. В случае выхода из строя генератора или какого-либо элемента системы электропитания автоматически включается алгоритм возврата вертолета в заданную точку посадки. Емкость резервной аккумуляторной батареи достаточна для выполнения аварийного режима возврата на любом участке траектории полета.
Полезная нагрузка представляет собой сменный модуль, включающий в себя диэлектрическое шасси. Крепление к вертолету и фиксация полезной нагрузки производятся по установочным цапфам без инструмента.
Функции поиска, обнаружения, пеленгования и одно-пунктного местоопределения реализуются созданным на базе научно-технического за-
1-радиоприемноеустройство; 2-объемная бортовая пеленгаторная решетка; 3 - обтекатель антенной решетки
Фото 2. Внешний вид двухъярусной КАР широкодиапазонного угломестно-азимутального радиопеленгатора
Фото 3. Внешний вид макета станции мониторинга радиоизлучений для измерения точностных параметров угломестно-азимутального радиопеленгатора
Схема 2. Частотные зависимости среднеквадратической ошибки пеленгования по азимуту (а) и среднеквадратической ошибки пеленгования по углу места (б)
Схема 3. Значения радиальных ошибок определения координат наземных ИРИ ОК для трех высот БЛА ВТ: 1 км, ЗкмиБкм
дела АО «ИРКОС» (г. Москва) бортовым широкодиапазонным (с коэффициентом перекрытия 30) угломестно-ази-мутальным моноимпульсным радиопеленгатором с БПАР в виде двухъярусной кольцевой антенной решетки (КАР) с би-коническими антенными элементами (см. фото 2 на с. 15).
Первичная обработка информации осуществляется на борту БЛА, данные об обнаруженных ИРИ по быстродействующему каналу связи передаются на наземный пункт (станцию) управления, где осуществляются вторичная обработка и отображение данных о вскрытой радиоэлектронной обстановке на фоне электронной карты местности. Для передачи с борта малоразмерного вертолета большего объема данных (данных об обнаруженных в широком диапазоне частот ИРИ) применяется аппаратура передачи данных (АПД), построенная на российской системе на кристалле (СнК) «Каскад 1» разработки АО «Каскад» (г. Зеленоград). Аппаратура предназначена для дуплексной передачи цифровой информации с пропускной способностью до 50 Мбит/с. АПД обладает высокой помехоустойчивостью за счет алгоритма перезапроса потерянных пакетов, поме-
хоустойчивого кодирования, режима адаптивной модуляции и режима адаптивной мощности. Криптостойкость и имитостойкость канала связи обеспечиваются шифрованием криптомодулем из состава СнК в соответствии с ГОСТ 2814789. АПД БЛА комплектуется всенаправленными антеннами, которые устанавливаются на хвостовой балке вертолета. АПД пункта управления комплектуется секторной антенной.
Для измерения точностных параметров угломестно-ази-мутального радиопеленгатора собирался макет станции мониторинга радиоизлучений, внешний вид которого и частотные зависимости сред-неквадратической ошибки пеленгования по азимуту (для значений угла места 10, 20 и 45 град.) и углу места (для значений азимута 10, 20 и 45 град.) представлены на схеме 2а и 2б (см. с. 15) соответственно.
На схеме 3 приведены расчетные значения радиальной ошибки определения координат наземных ИРИ азиму-тально-угломестным радиопеленгатором с объемной БПАР для трех высот БЛА ВТ 1, 3, 5 км, погрешностей определения азимута и угла места, равных 0,7°, и погрешностей определения собственного ме-
стоположения не хуже 2 м по горизонтали и 10 м по высоте.
Анализ полученных результатов показывает, что радиальные ошибки определения координат наземных РЭС в режиме однопозиционного местоопределения при значениях погрешностей определения азимута и угла места не хуже 0,7° и погрешностях определения собственного местоположения не хуже 2 м по горизонтали и 10 м по высоте не превышают 4-6 % от дальности.
Таким образом, представлены состав и основные характеристики экспериментального образца широкодиапазонной станции МР на БЛА ВТ ЛК, обеспечивающей, в том числе в сложных природно-географи-ческих условиях, возможность как многопозиционного, так и однопозиционного определения координат наземных ИРИ в широком (с коэффициентом перекрытия 30) рабочем диапазоне частот.
Основными проблемными вопросами разработки широкодиапазонной станции МР на БЛА ВТ остаются разработка малолитражного двигателя и автопилота малоразмерного вертолета предприятиями РФ и решение задачи импорто-замещения комплектующих иностранного производства.
