CC BY
443Системы автоматической посадки беспилотных летательных аппаратов: проблемы и пути решения
Подполковник A.M. АГЕЕВ, кандидат технических наук
Полковник В.В. БЕЛЯЕВ, кандидат технических наук
В.Г. БОНДАРЕВ, кандидат технических наук
Лейтенант В.В. ПРОЦЕНКО
АННОТАЦИЯ
ABSTRACT
Дан анализ существующих систем автоматической посадки беспилотных летательных аппаратов с позиции автономности и помехозащищенности в условиях активного противодействия противника. Предложен ряд научно-технических решений проблемы автономной навигации беспилотных летательных аппаратов на всех этапах посадки, основанных на использовании бортовой системы технического зрения и наземных лазерных ориентиров инфракрасного диапазона.
The paper analyzes the existing systems of automatic landing for unmanned aerial vehicles in terms of autonomy and electronic countermeasures in conditions of active opposition on the part of the adversary. It suggests a series of science-and-technology solutions for the problem of UAV autonomous navigation at every stage of landing based on the employment of the onboard system of technical vision and ground-based laser reference points in the infrared range.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
KEYWORDS
Беспилотный летательный аппарат, автономная посадка, система технического зрения, автоматизация управления, инфракрасный источник излучения.
Unmanned aerial vehicle, autonomous landing, technical vision system, automation of control, infrared source of radiation.
ОДНИМ из наиболее ответственных этапов применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), выполнение которого в автоматическом режиме давно стало насущной необходимостью, является их посадка на аэродромы, посадочные площадки, палубы авианесущих кораблей.
Для применяемых в настоящее время неавтоматических способов посадки БПЛА характерны недопустимо высокий уровень потерь и
ускоренное, нерациональное расходование технического ресурса. Анализ показывает, что количество авиационных происшествий на этапе
посадки БПЛА составляет порядка 12—15 % от общего числа происшествий, из них более 40 % заканчиваются их потерями1.
Важность и актуальность разработки высоконадежных эффективных способов и средств автоматической посадки БПЛА подтверждается опытом их боевого применения в локальных военных конфликтах и специальных операциях последнего времени, на основании анализа которого были выявлены следующие недостатки:
Первый. Уязвимость систем навигации БПЛА на базе спутниковых навигационных систем (СНС) GPS и ГЛОНАСС вследствие частых отказов оборудования, потерь связи со спутниками, подавления или искажения навигационного поля организованными помехами противника, что приводит к срывам выполнения полетного задания и даже потерям БПЛА. Если в такой ситуации у расчетов комплексов имеются варианты нештатного (аварийного) вывода БПЛА в район посадки с использованием инерциальных навигационных систем (ИНС), магнитного компаса и других датчиков, то на этапе захода на посадку возможности данных средств для спасения БПЛА недостаточны.
Второй. Использование БПЛА малой дальности для разведки, целеуказания и контроля результатов боевого применения весьма ограничено из-за значительного удаления стартовых позиций БПЛА от районов применения, необходимости их многократной передислокации из-за риска нанесения ударов противником, невозможности разнесения стартовой и посадочной площадок в составе одной позиции комплекса с БПЛА.
Третий. Для БПЛА средней дальности отсутствует возможность автоматической самолетной посадки при отказах штатного посадочного оборудования аэродромов или уничтожении их инфраструктуры, а также
посадки на необорудованные аэродромы, посадочные площадки, участки автодорог. Применение БПЛА возможно исключительно из района дислокации со штатной посадкой на свой аэродром, что ограничивает его радиус действия, продолжительность полета, делает невозможными решения отдельных задач.
Четвертый. Применение в автоматическом режиме существующих лазерных систем посадки БПЛА сопряжено со сложностями привязки и калибровки посадочного оборудования, а также с невозможностью выполнения посадки при подавлении командно-телеметрической радиолинии управления и передачи данных (КТР ПД), а также при уничтожении или отказах сложного наземного посадочного комплекса в составе лазерного локатора и наземной станции управления.
Основным препятствием на пути гарантированного решения задачи автоматизации посадки является отсутствие удовлетворительных способов определения местоположения БПЛА. Анализ существующих методов определения координат БПЛА относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП) показывает, что данные методы либо имеют низкую точность, не удовлетворяющую требованиям к системам автоматической посадки, либо для их реализации необходимо технически сложное оборудование, обладающее значительными массой, габаритами и стоимостью.
Так, применение известных в пилотируемой авиации радиотехнических систем инструментальной посадки (ILS, МСП) метрового диапазона волн для автоматической посадки БПЛА не представляется возможным по причине низкой точности (погрешности более 3 м), сложности определения высоты их полета и дальности2. Разработка оборудования для выполнения автоматической посадки самолета впервые
Количество авиационных происшествий на этапе посадки беспилотных летательных аппаратов составляет порядка 12—15 % от общего числа происшествий, из них более 40 % заканчиваются их потерями. Важность и актуальность разработки высоконадежных
эффективных способов и средств автоматической посадки беспилотных летательных аппаратов подтверждается опытом их боевого применения в локальных военных конфликтах и специальных операциях последнего времени.
выполнялась в нашей стране в 1980-е годы в интересах проекта орбитального самолета «Буран», что привело к созданию микроволновой системы посадки Плацдарм-1Н (вертикальная погрешность 0,7—0,85м)3. В США аналогичная система (MLS) была разработана и принята на вооружение, но в силу низкой помехоустойчивости и влияния множества факторов на точностные характеристики почти не используется4. С 2010 года системы MLS вытесняются спутниковыми системами обеспечения посадки типа GLS (GPS) и ССП-1 (ГЛОНАСС)5 (горизонтальная и вертикальная погрешности — более 10 м), в том числе с использованием наземных станций дифференциальной коррекции (горизонтальная погрешность — 2 м, вертикальная погрешность 0,2—0,3 м). Несмотря на ориентацию использования систем типа GLS в гражданской авиации, необходимо отметить их принципиальные недостатки, связанные с низкой надежностью (по этой причине они до сих пор не сертифицированы Международной организацией гражданской авиации (ИКАО)) и малой помехоустойчивостью. Разработка эффективных систем постановки помех (или искажения навигационного поля) СНС делает целесообразным применение систем GLS в военной авиации только в мирное время и в условиях локального краткосрочного конфликта с низкотехнологичным противником. Лазерные системы посадки на основе
инструментальных средств определения координат типа OPATS (RUAG Aviationу Швейцария)6 или ЛСОК (АО Группа «Кронштадт», Россия)7 позволяют определять только линейные координаты БПЛА. Причем для организации автоматического управления необходима командно-телеметрическая линия связи, что усложняет систему, увеличивает ее массу и габариты, стоимость, снижает надежность. По сути, система не является автономной. В последние годы активно ведутся исследования по внедрению визуальных систем посадки (VBLS)8 с использованием систем технического зрения и широким применением алгоритмов распознавания изображений. Достоинством таких систем является возможность автономной (не привязанной к внешним системным компонентам и средствам) посадки. Недостатками предлагаемых систем видимого диапазона являются сложность алгоритмов, большие вычислительные затраты, не позволяющие реализовать системы на малых БПЛА, зависимость от времени суток, погодных условий (дымка, снег, дождь, туман и др.), влияние приземных градиентов температуры воздуха, а также высокие требования к качеству аэродромов и посадочных площадок.
Таким образом, применяемые на практике средства и способы посадки не позволяют реализовать потенциальные преимущества БПЛА, повышают аварийность, приводят к срывам выполнения боевых задач и нередко
к их потерям. Предлагаемые способы посадки обладают существенными недостатками, несовместимыми с современными требованиями, при этом навязывается убеждение, что эти способы и средства являются безальтернативными.
Для организации автоматического управления необходима командно-телеметрическая линия связи, что усложняет систему, увеличивает ее массу и габариты, стоимость, снижает надежность. По сути, система не является автономной.
Решение указанных проблем видится в разработке альтернативной системы посадки, принципиальным отличием которой станет использование свойства автономности, присущего УВ15-системам, с комплексом решений, направленных на нивелирование их недостатков. Создание такой системы для комплексов с БПЛА военного назначения должно опираться на современные достижения в области интеллектуализации управления и методов распознавания изображений и одновременно с этим рационального использования имеющихся ресурсов (массо-габариты, сложность исполнения, надежность, стоимость). В целом такой подход должен быть направлен на реализацию принципов интеллектуализации, автоматизации, автономности, надежности, боевой эффективности, простоты и миниатюризации, позволяющих решать задачу автономной посадки БПЛА в условиях отсутствия спутниковой
навигации и устойчивого канала связи с наземным пунктом управления.
В основе предлагаемого решения лежит принцип инфракрасной системы автоматической автономной посадки беспилотных летательных аппаратов (ИСААП БПЛА)У построенной на основе высокоточного определения координат с использованием бортовой системы технического зрения и наземных точечных контрастных ориентиров. В состав системы входит: наземный сегмент, включающий комплект из трех наземных лазерных инфракрасных маяков (ЛИМ), размещаемых вдоль ВПП на полосе безопасности (посадочной площадки, на улавливающем устройстве) в заданной конфигурации; бортовой сегмент, включающий цифровую видеокамеру с узкополосным фильтром, устанавливаемую на гиростабилизирован-ном управляемом подвесе; цифровой вычислитель со специальным программным обеспечением, позволяющим осуществлять поиск, захват, распознавание и сопровождение ИК-ориентиров, вычисление угловых и линейных координат БПЛА относительно взлетно-посадочной полосы и формирование значений их рассогласования от линии глиссады в автопилот БПЛА для формирования в нем управляющих воздействий, обеспечивающих заход на посадку до высоты Н = 0. Состав, структурная схема и принцип действия предлагаемой системы представлены на рисунке.
По проведенным оценкам, система обеспечит сантиметровые точности измерения линейных координат в широком диапазоне метеоусловий (дождь, снег, туман), а достижимые точности по угловым координатам (единицы угловых минут) и составляющим вектора скорости позволят использовать ее как полностью автономную (осуществлять посадку без использования других датчиков).
ЛИМ 3 ЛШЛ 2
бортовой сегмент
Система технического зрения
Цифровая Д шиг п ита п А птппиплт
видеокамера иычпШштель ЛВТОПИЛОТ
Опорно-поворотное устройство
специальное программное обеспечение
Обработка изображения
Определение координат
Вычисление координат бплл
Формирование
сигналов управления бпла
Рис. Состав, структура и принцип действия ИСААП БПЛА
Основным преимуществом по сравнению с системами посадки других типов является автономность и помехозащищенность, которые достигаются за счет отсутствия привязки системы к наземному пункту управления, КТР ПД, орбитальным космическим аппаратам и корректирующим станциям СНС. Система обладает относительной простотой конструкции, надежна, энергоэффек-тивна и экономична в эксплуатации. Комплект наземных маяков может быть оперативно развернут на необорудованном аэродроме, участке автодороги, посадочной площадке, в том числе силами диверсионных подразделений на территории, кон-
тролируемой противником. В отличие от наиболее близкого аналога9, в котором в качестве источников использованы светодиодные прожекторы оптического диапазона, в нашем случае предусмотрено значительное снижение допустимого метеоминимума применения, достигаемого за счет выбора оптимального типа и диапазона источников (ближнего ИК-диапазона), системы автоматического регулирования мощности, а также использования узкополосного фильтра и системы автофокусировки приемника излучения. Использование указанного диапазона источников обусловлено соответствующим «окном прозрачности» атмосферы и
Применяемые на практике средства и способы посадки не позволяют реализовать потенциальные преимущества БПЛА, повышают аварийность, приводят к срывам боевых задач и нередко к их потерям. Предлагаемые способы посадки обладают существенными недостатками, несовместимыми с современными требованиями, при этом навязывается убеждение, что эти способы и средства являются безальтернативными.
наличием доступных на рынке полупроводниковых лазеров, которые обладают большой энергоэффективностью, не демаскируют место посадки и безопасны для глаз человека. Массогабаритные характеристики бортового сегмента системы смогут обеспечить его установку на БПЛА легкого класса весом до 10 кг. Возможно использование в качестве приемника излучения штатных оптико-электронных целевых нагрузок БПЛА, которые могут применяться по целевому назначению на других этапах боевого применения.
Для решения задачи выхода БПЛА в точку начала глиссады снижения с дальностей до 10 км предлагается размещение в зоне посадки вращающегося узконаправленного маяка большой мощности с системой время-импульсного кодирования информации об азимуте захода и метеоусловиях в районе аэродрома. Захват бортовой оптико-электронной системой данного маяка обеспечит построение системой автопилотирования оп-
Актуальность, новизна, эффективность предложенных решений и алгоритмов защищена рядом патентов Российской Федерации на изобретение10, подтверждена положительными результатами апробации, макетирования, моделирования и натурных экспериментов, в которых отработаны основные технические решения, обоснованы тактико-тех-
тимальной траектории для выхода БПЛА в заданную точку начала снижения по глиссаде с нужным курсом, на требуемой высоте и с требуемой скоростью.
Для решения задачи автоматизации режимов пробега по ВПП и руления для БПЛА самолетного типа среднего и тяжелого класса предлагается дооборудование аэродрома базирования системой меток в виде источников излучения небольшой мощности либо световых мнемозна-ков, размещенных вдоль рулежных дорожек на определенных расстояниях, с разработкой соответствующего алгоритмического обеспечения распознавания меток и интеллектуального управления самолетом в режиме руления.
Предложенные технические решения способны обеспечить создание унифицированной системы посадки БПЛА различного типа в автономном и помехозащищенном режиме на различные (в том числе подвижные) посадочные площадки (платформы).
нические требования и потенциально-достижимые точностные характеристики. Проведенный анализ показал, что предложенные пути решения являются технически реализуемыми и экономически обоснованными, учитывают современное состояние техники и технологии, а возможности предприятий промышленности позволяют реализовать их
Принципы интеллектуализации, автоматизации, автономности, надежности, боевой эффективности, простоты и миниатюризации позволяют решать задачу автономной посадки беспилотных летательных аппаратов в условиях отсутствия спутниковой
навигации и устойчивого канала связи с наземным пунктом управления. Принцип инфракрасной системы автоматической автономной посадки БПЛА построен на основе высокоточного определения координат с использованием бортовой системы технического зрения и наземных точечных контрастных ориентиров.
Актуальность, новизна и эффективность предложенных решений и алгоритмов защищена рядом патентов Российской Федерации на изобретение, подтверждена положительными результатами апробации, макетирования, моделирования и натурных экспериментов, в которых отработаны основные технические решения, обоснованы тактико-технические требования и потенциально-достижимые точностные характеристики.
на отечественной элементной базе в короткие сроки, обеспечив требования к импортозамещению.
Реализация предложенного подхода при создании перспективных систем автоматической посадки, позволит существенно расширить
боевые возможности комплексов с беспилотными летательными аппаратами, повысить эффективность их применения в условиях скоротечности боевых действий и быстрой смены оперативной и тактической обстановки.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Williams K.W. A Summary of Unmanned Aircraft Accident/Incident Data: Human Factors Implications / Civil Aerospace Medical Institute. Oklahoma City, 2004.
2 ГОСТ P 51747-2001. Система инструментального захода летательных аппаратов на посадку сантиметрового диапазона волн радиомаячная. Основные параметры и методы измерений.
3 Жихарев В.П.у Зазерский Л.К.У Ершов Г.А. и др. Проблемы развития перспективных средств инструментального захода на посадку воздушных судов // Радиопромышленность. 2015. № 4. С. 107—118.
4 БартеневВ.А.у Гречкосеев А.К., Козо-рез ДА. и др. Современные и перспективные информационные ГНСС-технологии в задачах высокоточной навигации. М.: Физматлит, 2014.
5 OPATS — The Laser-based Automatic Landing Systems for UAVS. pdf. URL: https:// ruag.picturepark.com/ Go/D4xnjm/V/7623/1 (дата обращения: 01.03.2018).
6 В РФ разработана собственная лазерная система автоматической посадки беспилотников ЛСОК Электр.журнал. Военное обозрение. 25.06.2017. URL: https://topwar.ru/121261 -v-rf-razrabotana-sobstvennaya-lazernaya-sistema-avtoma-ticheskoy-posadki-bespilotnikov-lsok.html (дата обращения: 01.03.2018).
7 Логвин А.И.у Волков А.В. Алгоритмы автоматического распознавания взлетно-посадочной полосы на видеоизображениях. Научный вестник МГТУГА. 2015. №213. С.115—117.
8 Mohanraj V.R. Vision based landing for unmanned aerial vehicle // IEEE Aerospace Conference Proceedings, 2011. art. № 5747518 (дата обращения: 01.03.2018).
9 Yang Gui. Airborne Vision-Based Navigation Method for UAV Accuracy Landing Using Infrared Lamps. }. Intell. Robot. Syst. 72: 197-218 (2013) (дата обращения: 01.03.2018).
10 Пат. 2506541 РФ, МПК51 G 01S 21/00. Способ определения координат, курса и скорости воздушного судна / Бондарев В.Г., Лопаткин Д.В., Ипполитов С.В., Захарин А.В. и др. (РФ); заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА». № 2012107022/28; заявл. 27.02.12 16 е.: ил.; Пат. 2626017 РФ, МПК51 G 01S 13/46. Способ навигации подвижного объекта / Кудаев А.Н., Косенко А.А., Бондарев В.Г., Ипполитов С.В., Озеров Е.В., Лопаткин Д.В. (РФ); заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА». № 2016130484; заявл. 25.07.16 7 с: ил.; Пат. 2621215 РФ, МПК51 G 01S Способ обеспечения посадки вертолета / Бондарев В.Г., Ипполитов С.В., Озеров Е.В., Лопаткин Д.В. (РФ); заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА». № 2016122426; заявл. 06.06.16 7 е.: ил.
