РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МЕЖСАМОЛЕТНОЙ НАВИГАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПОЛЕТА СТРОЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622/^Ти.2021Л7.1.004 УДК 681.5.01

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МЕЖСАМОЛЕТНОЙ НАВИГАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПОЛЕТА СТРОЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Д.А. Смирнов1, В.Г. Бондарев2, А.В. Николенко2,3

Государственный летно-испытательный центр имени В.П. Чкалова, Войсковая часть 15650,

г. Ахтубинск, Россия

2Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия 3Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: проведен краткий анализ как отечественных, так и зарубежных систем межсамолетной навигации. В ходе анализа были отражены недостатки систем межсамолетной навигации и представлен актуальный подход повышения точности системы навигации за счет применения системы технического зрения. Для определения местоположения ведущего самолета предлагается рассмотреть в качестве измерительного комплекса систему технического зрения, которая способна решать большой круг задач на различных этапах, в частности, и полет строем. Систему технического зрения предлагается установить на ведомом самолете с целью измерения всех параметров, необходимых для формирования автоматического управления полетом летательного аппарата. Обработка изображений ведущего самолета выполняется с целью определения координат трех идентичных точек на фоточувствительных матрицах. Причем в качестве этих точек выбираются оптически контрастные элементы конструкции летательного аппарата, например окончания крыла, хвостового оперения и т.д. Для упрощения процедуры обработки изображений возможно использование полупроводниковых источников света в инфракрасном диапазоне (например, с длиной волны X = 1,54 мкм), что позволяет работать даже в сложных метеоусловиях. Такой подход может быть использован при автоматизации полета строем более чем двух летательных аппаратов, при этом необходимо только оборудовать системой технического зрения все ведомые самолеты группы

Ключевые слова: система технического зрения, система автоматического управления, межсамолетная навигация, групповой полет, летательный аппарат

Введение

Современные летательные аппараты (ЛА) оснащены значительным арсеналом измерительных средств, обеспечивающих автоматическое либо директорное управление полетом на различных его этапах. Несмотря на успехи в разработке этих средств, следует отметить, что ряд этапов полета до сих пор выполняется успешно благодаря высокой выучке летного состава, которая на практике часто оказывается недостаточной для выполнения полетного задания. Такими этапами полета, которые требуют сверхвысокой точности местоопределения, можно без преувеличения назвать посадку, преодоление (облет) препятствий, дозаправку в воздухе, захват целей, полет строем. Кардинальное решение названных проблем видится в автоматизации полета в этих режимах, но на этом пути возникает трудность, обусловленная недостаточными возможностями измерительного оборудования.

В решении задач навигации ЛА особая роль отводится спутниковым навигационным

© Смирнов Д.А., Бондарев В.Г., Николенко А.В., 2021

системам (СНС), которые имеют погрешность определения координат в автономном режиме в пределах 10-50 м. Однако, совершенно очевидно, что для обеспечения режимов полета, требующих сверхвысокой точности навигации, этого недостаточно, поэтому необходимо в СНС использовать более точные навигационные режимы, такие как дифференциальные и относительные.

Для реализации дифференциального режима требуется дополнительное как бортовое, так и наземное оборудование СНС, при этом достигается погрешность определения координат в 5-7 м и лучше.

Относительный режим требует дополнительного бортового оборудования, а погрешности определения координат в зависимости от взаимного удаления летательных аппаратов находятся на уровне нескольких метров - десятков сантиметров [1].

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что СНС в перспективе могут стать средством ближней межсамолетной навигации.

Среди радиолокационных средств (РЛС) определения положения объектов следует выделить бортовые РЛС миллиметрового диапа-

зона волн, у которых большая эффективная поверхность рассеивания целей по сравнению с сантиметровым диапазоном.

Групповые полеты ЛА являются наиболее сложным и важным этапом. Взаимодействие ЛА в группе значительно повышает ударные функции и эффективность выполнения поставленных задач на территории противника в зоне противовоздушной обороны.

Проанализировав существующие как отечественные, так и зарубежные радиотехниче-

ские системы межсамолетной навигации, можно заметить их низкую точность (таблица) [3]. При такой точности невозможно обеспечить автоматизацию полета ЛА, особенно когда дело касается взаимодействия ЛА в строю на небольших интервалах. Для работоспособности данных систем необходимо участие наземного либо спутникового сегмента, что ограничивает область их применения.

Методы измерения Радиотехнические Оптические

Системы Радикал-ОВК РФ РСБН-85В РФ А-737 РФ AN/APG-79 ОЭС

ЛА МИГ-31 СУ-35с СУ-30 F/A-18 БЛА

Погрешность измерения ±100,00 м ±60,00 м ±23,30 м ±21,00 м ±0,02...0,50 м

Параметры существующих систем межсамолетной навигации

Разработанная в ВУНЦ ВВС «ВВА» оптико-электронная система межсамолетной навигации имеет существенно более высокие точностные характеристики, что позволяет на ее основе сформировать групповой полет ЛА высокой плотности, обладающий устойчивостью к воздействию средств РЭБ и ПВО.

Анализ характеристик существующих бортовых РЛС типа WX-50, РЛС AN APQ-137B или РЛС «Алмаз» показывает, что даже они не вполне подходят для решения задач межсамолетной навигации, так разрешающая способность по дальности порядка 4 м и углу до 1,2 едва может обеспечить полет в плотном строю или дозаправку топливом в воздухе.

Поэтому в настоящее время достаточно сложно сделать однозначный выбор средства навигации для обеспечения автоматического управления полетов строем. В связи с этим может оказаться своевременным новое решение этой задачи.

Постановка задачи

Полет самолетов строем является сложнейшей пилотажной задачей, которая требует от летчиков высокого мастерства. Большие затраты на подготовку летчиков такого уровня и требование обеспечения безопасности полетов делают актуальной задачу обеспечения автоматизации полетов строем. Наиболее узким местом на пути решения этой проблемы является отсутствие надежного измерительного средства, обеспечивающего ведомый самолет информацией о местоположении ведущего. Пред-

ставляется, что система технического зрения является именно таким измерительным инструментом, что подтверждает следующий измерительный алгоритм.

Опыт применения авиации в боевых действиях в крупномасштабных войнах и локальных военных конфликтах показал, что большинство полётных заданий боевые воздушные суда, независимо от своего функционального предназначения, выполняют в составе групп различного тактического назначения.

Данный этап является технически сложно реализуемым и в большинстве случаев определяет тактические возможности комплексов с ЛА. В связи с этим разработка и поиск новых способов обеспечения автоматического полета ЛА строем являются перспективной задачей, в конечном счете, от которой зависит, как расширится область применения ЛА. Достижения современных средств РЭБ в военной авиации существенно ограничивают возможности использования радиотехнических средств межсамолетной навигации. Поэтому актуальность создания оптико-электронного комплекса межсамолетной навигации чрезвычайно велика.

Анализ состояния аварийности авиации военного назначения при выполнении групповых полётов показывает, что в основном их причиной явились ошибки лётного состава в технике пилотирования и управления движением (80 % авиационных происшествий (АП)). Современное развитие авиации выдвигает всё новые и новые требования к вопросам надежного обеспечения безопасности полётов. Одним из важных направлений обеспечения безопас-

ности полетов является предупреждение столкновений самолётов в воздухе. Ежегодные летние вспышки авиационных происшествий из-за столкновений в воздухе не настораживают руководящий состав частей, требовательность к организации предотвращения АП по известным причинам не повышена, особенно это относится к групповым полётам.

Изучение причинно-следственных связей авиационных происшествий из-за столкновений, совершившихся в отечественной авиации за последнее десятилетие, показало, что все столкновения произошли в результате грубых нарушений законов лётной службы лицами, осуществляющими организацию, управление или выполнение полётов. Характерными нарушениями были: допуск к полётам недоученных или неподготовленных лётчиков и лиц гражданского персонала (свыше 50 % столкновений), отступление от установленного порядка методики выполнения заданий (более 15 % столкновений), пренебрежение обоснованными мерами безопасности полётов (около 20 % столкновений), недисциплинированность лётчиков (около 10 % столкновений).

Подавляющее большинство столкновений (около 90 %) произошло в групповых полётах, предусматривающих сближение и взаимодействие одиночных самолётов. Причём, столкновения в этих полётах явились, в основном, следствием невыполнения лётчиками действий, установленных Наставлением по производству полётов при потере ведущего или впереди летящего самолёта при ручном пилотировании самолётов. За последние 35 лет в частях ВВС СССР и РФ произошло 84 столкновения летательных аппаратов на земле и в воздухе.

Абсолютное большинство АП (85 %) происходило на исправной авиационной технике и в простых метеоусловиях, в 75 % случаев непосредственной причиной АП выступает «человеческий фактор», связанный со снижением уровня натренированности лётного и инструкторского состава.

Таким образом, наиболее сложным и аварийным режимом управления высокоманёвренных ведомых ЛА является их ручное пилотирование. Именно высокая психофизиологическая нагрузка на командира воздушного судна при управлении в боевых порядках, обусловленная неблагоприятными характеристиками устойчивости и управляемости ЛА, определяет большой процент ошибочных действий лётчиков. Одним из направлений повышения безопасности полётов авиации является авто-

матизация различных этапов полета с учетом деятельности летчика, позволяющая улучшить летно-технические характеристики (а точнее говоря, пилотажные характеристики) высокоманевренных ведомых ЛА и снизить количество авиационных происшествий.

В связи с бурным развитием комплексов с ЛА и расширением перечня выполняемых ими задач возрастает актуальность совершенствования оборудования ЛА для решения задач навигации и управления. При этом одной из сложных и полностью не решенных задач пилотирования является задача полета установленным строем.

Применение беспилотной авиации в составе группы способствует повышению боевой эффективности при нанесении массированных ударов, эффективному прорыву ПВО противника на узком участке фронта, успешному решению специальных задач (например, дозаправки ЛА в воздухе). Однако организовать групповой полет является сложной задачей, которая решается в комплексе и предусматривает выполнение поставленных задач в плотном строю сообща. В таком плотном строю необходимо соблюдать жесткие требования по точности выдерживания параметров.

Относительно недавно в перечень задач САУ ЛА включались задачи траекторного управления и угловой стабилизации, которые выполнялись вручную или дистанционно с помощью работы летчика-оператора. Эти действия сильно ограничивают возможности группового применения ЛА. Поэтому на сегодняшний день использование автоматического управления в режиме группового полета является востребованным, а это, в свою очередь, позволяет ЛА выполнять различные задачи в плотном строю (группой) самостоятельно, без участия оператора.

В настоящее время многие ученые разрабатывают алгоритмы, которые позволяют автоматизировать полет ЛА.

Однако результаты полученных исследований направлены на структуру САУ и алгоритмы управления ЛА [2]. Для синтеза алгоритмического обеспечения применялись различные методы, с помощью которых достигается реализация управления многосвязными объектами, но не полностью учитывается влияние внешних возмущений. Поэтому для достижения поставленных высоких требований к точности управления ЛА при полете строем с применением указанных методов является весьма затруднительным. Важным отличием

является то, что авторы в своих работах ориентируются на РТС межсамолетной навигации, которые нецелесообразно использовать в военной авиации ввиду применения различных радиопомех. Поэтому появляется актуальность в разработке оптико-электронного комплекса межсамолетной навигации, нечувствительного к воздействию радиопомех.

Для определения местоположения ведущего самолета предлагается рассмотреть в качестве измерительного комплекса систему технического зрения (СТЗ), которая способна решать большой круг задач на различных этапах, в частности, и полет строем.

Предлагается установить на ведущем ЛА СТЗ с разнесенными цифровыми фотокамерами в количестве две штуки (рис. 1), в поле зрения которых находится ведущий самолет.

Рис. 1. Схема измерения положения ведущего самолета Решение сформулированной задачи

Рассмотрим геометрические соотношения, которые помогают описать процесс измерения положения ведомого самолета относительно ведущего. Полагаем, что обработка изображений ведущего самолета выполняется с целью определения координат трех идентичных точек на фоточувствительных матрицах. Причем, в качестве этих точек выбираются оптически контрастные элементы конструкции ЛА, например окончания крыла, хвостового оперения и т. д. (рис. 2).

X® = ^ ( В +1) 7 - 7

2/ ^И

Рис. 2. Определение координат самолета по трем идентичным инфракрасным маякам, расположенным на оптически контрастных элементах конструкции летательного аппарата

Для упрощения процедуры обработки изображений возможно использование полупроводниковых источников света в инфракрасном диапазоне (например, с длиной волны X = 1,54 мкм) [3], что позволяет работать даже в сложных метеоусловиях.

Система координат (СК) O1X1Y1Z1 является прямоугольной и привязана к ведущему ЛА, ось O1X1 - с продольной осью, ось OiZi - с поперечной осью, а ось O1Y1 дополняет СК до правой. В свою очередь, СК O2X2Y2Z2 связана с ведомым ЛА, где ось O2X2 направлена параллельно продольной оси ЛА и оптическим осям фотообъективов ФО1 и ФО2, ось O2Z2 параллельна поперечной оси ЛА и совпадает с линией, которая соединяет центры фоточувствительных матриц ФМ1 и ФМ2, 02Y2, перпендикулярна осям O2X2 и O2Z2, добавляя их до правой СК. Координаты трех идентичных точек Т(X,(1),Y;(1),Z^) в СК OXYZ считаем заранее

известными. Длину между центрами фоточувствительных матриц обозначим В, а фокусные расстояния фотообъективов - F1 = F2 = F.

Работа бортовой СТЗ сводится к измерению координат точек Т; в системе координат O2X2Y2Z2. Данные координаты находим следующим образом

Y(2) _ _

Y1B

7 - 7

1; 2;

Z(2) _ B Z1; + Z2;

2 Z - Z

^ 1; 2;

(1)

где Y1¡, 7У, Y2¡, 72/ - координаты изображений точек Т на фоточувствительных матрицах, первый индекс соответствует номеру фоточув-

ствительной матрицы, второй индекс ; _ 1,3 -номер точки.

Тогда координаты ведущего ЛА Х02), У0(2), Z02) в системе 02Х2У272 определяют-

ся посредством следующего соотношения

(х

(2) 0

К2)

7 02)) т =( Х(2) У(2) 2(2)) т - Ат (Х,(1) У(1) 7,(1))

(2)

где матрица направляющих косинусов А описывает преобразование координат вектора при

переходе от системы 02Х2У272 к системе ОХ1 У2. Она имеет следующий вид

А =

cos Р cos % sin % - sin Р cos %

sin Рsma- sin %cos Рcosa cosacosф cos Рsma + sin Рsin %cosa sin Рcosa+ cos Рsin %sina - cos %sina cos Рcosa- sin Рsin %sina

(3)

здесь a, Р, % - неизвестные углы взаимной ориентации ведущего самолета относительно ведомого.

Вектор (Х(1) у(1) Z(1))т, который имеет

начало в точке Оь известен исходя из условия

(2) (2) (2) т задачи, а вектор (Х; У, Z : ) , имеющии

начало в точке О2, в СК 02Х2У272 непосредственно измеряется благодаря СТЗ, это означает, что после определения матрицы А соотношение (2) можно использовать для вычисления координат ведущего самолета относительно ведомого [4].

Матричное уравнение (2) в скалярном виде представляет собой систему девяти уравнений относительно шести неизвестных Х0(2), У0(2), 70(2), a, Р, % . Такая система уравнений относится к числу переопределенных, а для их ре-

шения в общем случае необходимо использовать специальные численные методы. Однако для системы уравнений (2) возможно аналитическое решение, причем условием разрешимости уравнений является расположение точек Т в вершинах треугольника ненулевой площади, что, с одной стороны, обеспечивает неколлинеарность сторон треугольника Т1Т2Т3 и неравенство нулю определителя обращаемой матрицы в следующем соотношении. С другой стороны, погрешности измерений величин

a, Р, %, тем меньше, чем больше площадь треугольника, что связано с большей измерительной базой измерительного устройства, образованного СТЗ и группой точек ТТ2Т3.

Решение задачи достигается с помощью применения следующего матричного выражения для матрицы А , полученного ранее.

(Х2а) - Х1

А =

(1)

У2(1) -11'

(1)

7() - 7 21

(1)

( х 22) - Х1

(2)

чг(1) у1

Х 3 - Х 2

(1)

У3(1) - У2

73 ) - 7 2

У(2) - У

21 7(2) - 7

21

(2)

(2)

(1)

(1)

Х3(2) - Х2

(2)

У(2) -У

32 7(2) - 7

32

(2)

(2)

(У2(1) - У(1))(7(1) - 72а)) - (У3(1) - У2(1))(7(1) - 71(1)) (Х3(1) -Х"2,1))(72,1) - 71(1)) - (Х2а) -ХХ1(1))(^31) -72а)) (X« -Х1(1))(У3(1) -У2(1)) -(X21) -Х2а))(У2а) -У(1))

(У2(2) - У1(2) )(73(2) - 722)) - (У3(2) - У2(2) )(722) - 7®) > ( х32) - Х22))(7<2) - 71(2)) - (х<2) - ХХ1(2))(^32) -122)) (Х<2) - Х'1(2) )(У3(2) - У2(2)) - (X22) - Х2(2))(У2(2) - У(2))

(4)

После вычисления матрицы А углы положения ведомого самолета выражаются

a = -аг^(а32 / а22) (5) Р = -arctg (ап/ ап) (6) % = arcsin а12, (7)

где апда - коэффициенты матрицы А, а

п, да = 1,3 номера ее строк и столбцов.

Таким образом, поэтапное применение приведенных соотношений дает возможность для вычисления искомых координат положе-

ния ведущего самолета Х

(2) , 0 :

(2)

2

(2)

a,

Р,

% относительно ведомого. При этом используются три идентичные точки, связанные с ведущим ЛА, и бортовая система технического зрения ведомого ЛА.

Формирование управляющих сигналов САУ ведомого самолета на основании информации об относительном положении ведущего самолета позволяет решить задачу автоматического полета строем, но проблема устойчивости, особенно, многозвенного строя может доставить немало сложностей при создании такой системы. Поэтому полезным шагом на пути решения этой задачи является использование управляющих сигналов ведущего самолета в законах управле-

т

0

X

X

0

ния ведомого. Измерение углов отклонения управляющих поверхностей и учет их в законах управления позволит сократить запаздывание управляющих воздействий ведомого самолета, которое имеет место при управлении только по относительным перемещениям ведущего ЛА.

Для определения отклонений органов управления ведущего самолета и для формализации постановки этой задачи рассмотрим управляющую поверхность в СК 0Х\У\7\, с произвольно расположенной осью вращения МЫ, связанной с ведущим самолетом (рис. 3) [5].

N

Предположим, что на управляющей поверхности имеется оптическая контрастная точка О с начальными координатами (Х^, , 7(?)), этим координатам соответствует угол отклонения управляющей поверхности ф = 0. Также задана точка

М(X^ , У^0, 7^) , координаты которой расположены на оси вращения МЫ так, чтобы вектор единичной длины О был перпендикулярен оси вращения. Положение оси вращения задано

единичным вектором е(1)(еХ , е^ , е] ). Посредством СТЗ, которая установлена на ведомом самолете, непрерывно осуществляется

т^(2) лг(2) гу(2)

процесс определения координат Х0 , У0 , 70 , матрица А, а также координаты текущего положения точки О(Уо \ 7д)) посредством соотношений (1).

Тогда угол отклонения органа управления от его нулевого положения определяется следующим образом:

Рис. 3. Схема измерения угла отклонения управляющей поверхности

ф = arcsm{ef[(YcG:) - Y^ - Z<») - (Y« - Y«)^ - Z<»)] --e?[(X$ -X^ - Z£>) - (X« -X«)^ -Z«)] + +e?>[(X£> - X«)^ - Y^1) - (X» -X^ - Y^1)]}

(8)

Выражение синуса угла ф получено как смешанное произведение единичных векторов

в, Ос и е(1)(е;

,fl)

е

(:) Л

y

еГ).

(X

(1) G

K1)

В правой части этого выражения неизвестны только координаты вектора (Х^1 У^1 2(1))г, которые определяются путем применения следующего соотношения

ZG ) Г = A (Xf - X,

(2) 0

у(2) у

(2)

ZG2) - z 02))r.

(9)

Выражение описывает преобразование координат вектора (ХО УО ) , при переходе от системы 02Х2У272 к системе 0Х\У\7\.

Выводы

Таким образом, система технического зрения, которая установлена на ведомом самолете, обеспечивает измерение всех параметров, необходимых для формирования автоматического управления его полетом. Этот подход может быть использован при автоматизации полета строем более чем двух ЛА, необходимо только оборудовать СТЗ все ведомые самолеты группы. Исследования характеристик СТЗ в ВУНЦ

ВВС «ВВА» показывают, что в полете с дистанциями 5-150 м могут быть достигнуты погрешности измерения координат не хуже 0,1 м. Так экспериментальная установка, предназначенная для проверки алгоритмов, обеспечивает вычислительный цикл с периодом в 1 секунду. Установка выполнена с применением двух веб-камер с максимальным разрешением 1280* 1024 и ноутбука с двухъядерным процессором, имеющим тактовую частоту 2 ГГц и ОЗУ емкостью 2 Гб. При этом использовалась операционная система Windows XP и язык программирования Perl. Использование специализированного вычислителя, более рациональной процедуры обработки изображений, программного обеспечения на языке низкого уровня, по-видимому,

G

могут обеспечить вычислительный процесс в реальном времени на существующей элементной базе. Структура такого программного обеспечения должна включать модули считывания оцифрованных изображений с фоточувствительных матриц, модуль обработки изображений, обеспечивающий отыскание изображений маяков и определение их координат на фотоматрицах, а также модуль вычислений координат углового и линейного положения ведомого ЛА относительно ведущего.

Литература

1. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. М.: Эко-Трендз, 2003. 326 с.

2. Бондарев В.Г., Ипполитов С.В., Лопаткин Д.В. Рой ударных беспилотных летательных аппаратов // Сборник тезисов докладов научно-технической конференции. Анапа: Издательство ФГАУ «ЭРА», 2019. С. 116-124.

3. Бондарев В.Г., Лопаткин Д.В., Смирнов Д.А. Автоматическая посадка летательного аппарата // Научный вестник ВГУ. Серия системный анализ и информационные технологии. 2018. №2. С. 44-51.

4. Бондарев В.Г. Автоматическая посадка самолета на авианосец // Научный вестник МГТУ ГА. 2012. №185. С. 124-131.

5. Пат. 2349931 Российская Федерация, МПК7 G 0^ 11/00. Способ определения координат и углов отклонения управляющих поверхностей ведущего самолета и устройство для его осуществления / Бондарев В.В., Бондарев В.Г., Бондарев М.В., Лейбич А.А.; заявитель и патентообладатель авторы. № 20007149017/09; заявл. 25.12.07; опубл. 20.03.09, Бюл. №8. 4 с.; ил.

Поступила 05.01.2021; принята к публикации 17.02.2021 Информация об авторах

Смирнов Дмитрий Андреевич - инженер-испытатель, Государственный летно-испытательный центр имени В.П. Чкалова, Войсковая часть 15650 (416504, Россия, Астраханская обл., г. Ахтубинск), e-mail: [email protected] Бондарев Валерий Георгиевич - канд. техн. наук, профессор, доцент кафедры эксплуатации авиационного оборудования факультета авиационного оборудования, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А), e-mail: [email protected]

Николенко Александр Владимирович - младший научный сотрудник 21 отдела научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией ВВС), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А); аспирант кафедры прикладной математики и механики, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: [email protected]

SOLVING THE PROBLEM OF INTER-AIRCRAFT NAVIGATION TO ENSURE FLYING IN FORMATION USING A TECHNICAL VISION SYSTEM

D.A. Smirnov1, V.G. Bondarev2, A.V. Nikolenko2,3

xState Flight Test Center named after V.P. Chkalov, Military unit 15650, Akhtubinsk, Russia 2Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin

Military-Air Academy", Voronezh, Russia 3Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article provides a brief analysis of both domestic and foreign inter-aircraft navigation systems. In the course of the analysis, we found the shortcomings of inter-aircraft navigation systems and presented an up-to-date approach to improving the accuracy of the navigation system through the use of a technical vision system. To determine the location of the leading aircraft, we proposed to consider a technical vision system as a measuring complex, which is able to solve a large range of tasks at various stages, in particular, flight in formation. We proposed to install the technical vision system on the slave aircraft in order to measure all the parameters necessary for the formation of automatic flight control of the aircraft. We performed an image processing of the leading aircraft to determine the coordinates of three identical points on photosensitive matrices. Moreover, we selected optically contrasting elements of the aircraft structure as these points, for example, the end of the wing, tail, etc. To simplify the image processing procedure, it is possible to use semiconductor light sources in the infrared range (for example, with a wavelength of X = 1.54 microns), which allows us to work even in difficult weather conditions. This approach can be used when automating a flight in formation of more than two aircraft, while it is only necessary to equip all the guided aircraft of the group with a technical vision system

Key words: technical vision system, automatic control system, inter-aircraft navigation, group flight, aircraft

References

1. Soloviev Yu.A. "Satellite navigation and its applications" ("Sputnikovaya navigatsiya i ee prilozheniya"), Moskow, EKO-Trendz, 2003, 326 p.

2. Bondarev V.G., Ippolitov S.V., Lopatkin D.V. "Swarm of shock unmanned aerial vehicles", Proc. of the Scientific and Technical Conf. (Sbornik tezisov dokladov nauchno-tekhnicheskoy konferentsii), Anapa, ERA, 2019, pp. 116-124.

3. Bondarev V.G., Lopatkin D.V., Smirnov D.A. "Automatic landing of the aircraft", Scientific Bulletin of VSU (Nauchnyy vestnik VGU), 2018, no. 2, pp. 44-51.

4. Bondarev V.G. "Automatic landing of an aircraft on an aircraft carrier", Scientific Bulletin of MSTU (Nauchnyy vestnik MGTU GA), 2012, no. 185, pp. 124-131.

5. Bondarev V.V., Bondarev V.G., Bondarev M.V., Leibich A.A. "A method for determining the coordinates and angles of deviation of the control surfaces of the leading aircraft and a device for its implementation" ("Sposob opredeleniya koordinat i uglov otkloneniya upravlyayushchikh poverkhnostey vedushchego samoleta i ustroystvo dlya yego osushchestvleniya"), patent no. 2349931 of Russian Federation, appl. 25.12.07.; publ. 20.03.09, bull. no. 8-4 p.

Submitted 05.01.2021; revised 17.02.2021 Information about the authors

Dmitriy A. Smirnov, Test engineer, State Flight Test Center named after V.P. Chkalov, Military Unit 15650 (Akhtubinsk 416504, Russia), e-mail: [email protected]

Valeriy G. Bondarev, Cand. Sc. (Technical), Professor, Associate Professor, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54A Starykh Bolshevikov str., Voronezh 398600, Russia), e-mail: [email protected]

Aleksandr V. Nikolenko, Junior researcher, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54A Starykh Bolshevikov str., Voronezh 398600, Russia); graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: [email protected]