Груповий політ літальних апаратів алгоритм обробки інформації відносного руху

Абакумов О.В., асп., Шкаєва А.Г., асп., Саратовський державний технічний університет

Введення

В даний час спостерігається значне підвищення інтересу до безпілотним літальним апаратам (БЛА). Це відбувається на тлі успішного застосування БЛА у ряді військових конфліктів: в Афганістані, Югославії, де застосовувалися американські БЛА RQ-1 "Предатор", в Чечні, де російська армія використовувала БЛА "Бджола".

До цих пір практично всі БЛА мали тільки лише військове призначення і ставилися в основному до двох основних класах: розвідники й мішені. На сьогоднішній день область застосування і можливості БЛА значно розширилися, з'явилося безліч нових задач для існуючих та перспективних БЛА, як військового, так і цивільного призначення. Такими завданнями є, наприклад, застосування зброї (БЛА "Предатор" США), багатогодинні польоти ("Глобал Хоук" США, З-62 Росія), сільськогосподарські завдання (розробки таких БЛА ведуться в даний час у Японії) і т.д.

У цьому ряду однією з найважливіших є завдання забезпечення групового польоту БЛА. При її рішенні виникає ряд істотних технічних проблем, пошук вирішення яких в даний час проводяться як в Росії, так і за кордоном. Інститути, які до цих пір розробки в області автоматичного управління груповими польотами літальних апаратів були орієнтовані переважно на управління строєм пілотованих літаків з великої дальності між ними, а для БЛА висуваються вимоги польоту в строю з дистанціями і інтервалом 30-150 метрів.

У даній роботі здійснюється дослідження алгоритмів обробки інформації з метою визначення параметрів відносного руху БЛА в груповому польоті і пропонується алгоритм оцінювання параметрів руху провідного ЛА за результатами вимірювань відносного руху.

1. Проблеми управління БЛА в групі. Постановка задачі обробки інформації

Сучасний розвиток авіації поставило завдання виконання спільного польоту групи безпілотних літальних апаратів.

У зв'язку з цим задача управління БЛА в групі з високою точністю набуває особливої ​​важливості. Необхідність розвитку техніки польоту БЛА в строю висуває в даний час дуже важливий напрямок: створення систем межсамолетной навігації (СМСН) для БЛА з дуже обмеженими вагою і обсягом. Ця необхідність визначається ще тим, що відсутність в бортовому обладнанні БЛА СМСН може істотно обмежити в ряді випадків їх можливості.

У силу ряду причин задача автоматичного управління польотом літальних апаратів (ЛА) у груповому порядку представляє собою одну з найбільш складних і специфічних науково-технічних проблем авіації, тре бующ а комплексного вирішення. Воно полягає в необхідності тактичного обгрунтування раціональних видів ладі в, кількості ЛА в групі, у визначенні ідеології збору ЛА в групу, у виборі методів синхронного управління кожним ЛА групи для забезпечення безпеки польоту і точного витримування кожним ЛА групи свого місця в строю на прямолінійних і криволінійних ділянках польоту всієї групи в цілому. Причому, можливість управління групою ускладнюється нестаціонарністю параметрів польоту. Методи управління ЛА визначають основні принципи, які використовуються при пр оектіров Аніі систем управління ЛА в групі [1].

Зрозуміло, що для забезпечення необхідної точності процесу управління польотом строєм ЛА СМ СН повинна будуватися у вигляді системи із зворотним зв'язком за інформацією про взаємне положення. Це позв оляет з єдиної точки зору розглянути систему управління польотом ЛА в строю і дати єдину математичну базу її опису. Автоматизація управління польотом ЛА в груповому порядку пов'язана не тільки з розробкою теоретичних основ польоту, але і з розробкою бортових технічних засобів вимірювання відносного положення та систем управління. Проведений аналіз стану засобів визначення взаємних координат показав, що жодна з існуючих і розроблювальних у даний час вимірювальних ср едств не забезпечує сучас Ємен вимог визначення взаємних координат в щільних групах. У нашій країні розроблена лише автоматизована система вож дення літаків в строю типу "Ку підлога". Вона призначена для військово-транспортних літаків. Ця система дозволяє витримувати лад ЛА з ряд му обмежень, таких як автоматизація тільки бічного каналу керування, неможливість витримування малих дистанцій.

Створення засобів вимірювання відносного позиціонув єни я Л А в гру пою вирішує проблему забезпечення польоту ЛА в строю не повністю. Необхідно вирішувати також завдання автоматизації обробки інформації про параметри відносного руху і параметрах польоту з метою формування алгоритмів управління.

Зважаючи на складність завдання можливі різні підходи до її вирішення, отлічающі еся як розподілом функцій управління між наземним пунктом керування і бортом, так і вибором принципів, які можуть бути полож єни в основу системи управління і які визначають її конструктивні та динамічні характеристики. Дослідженню питань автоматизації управління польотом ладу ЛА присвячені роботи наших вітчизняних вчених: В. А. Боднера, А. А. Красовського, Ю. П. Доброленского, В. Г. Тарасова, С. В. Петрова. У роботах цих вчених були сформульовані загальні вимоги до систем автоматичного управління групою літаків: представлено математичний опис ладу, як об'єкта управління, проведені дослідження задачі управління літаками в групі, за результатами яких зроблено в ивод про те, що лад, як динамічна система сам по собі , без регуляторів, принципово не стійкий на всіх режимах польоту, дані технічні пропозиції з побудови систем управління строєм літаків. У фундаментальній роботі [2] розглянуто питання теорії автоматизованих СМСН. Представлений великий огляд з систем управління польотом групи ЛА і методам вимірювання параметрів відносного дв іженія літаків. М атематичні основою рассматрив аемих в цій роботі методів вирішення завдань межсамолетной навігації є теорія оцінювання і фільтрації. У роботі [3] викладаються основи та специфіка застосування методів теорії нелінійної фільтрації марківських послідовностей та процесів в задачах обробки навігаційної інформації. Розглядаються підходи, які використовуються при вирішенні різного роду нелінійних задач, при цьому значна увага приділяється тим з них, в яких застосування алгоритмів, заснованих на лінеаризації, неприйнятно. Аналіз цих праць показує, що їх результати орієнтовані на побудову СМСН для польоту в строю з великої дальності між ними і тому не можуть бути повною мірою використані в СМСН БЛА, так як для них висуваються вимоги польоту в строю з дистанціями і інтервалом 30-150 м. У цих роботах недостатньо повно розглядалися питання вибору структури управління та її параметрів, дослідження динаміки і точності стабілізації з урахуванням нелінійностей в математичній моделі ЛА і моделі відносите льн ого руху. В даний час не розроблені стандартні алгоритми СМСН, як це зроблено в навігації. Тому задача розробки алгоритмічного забезпечення польотом ЛА, і в тому числі БЛА в строю, вельми актуальна.

Розвиток СМСН йде двома шляхами: створення автономних систем, не завісящ їх від наземних засобів, і систем, що використовують наземні радіомаяки. Кожному з цих шляхів притаманні свої переваги і недоліки. Другий шлях має один з недоліків, пов'язаний з точністю визначення взаємних координат рухомих в групі ЛА, що не дозволяє використовувати даний принцип для польоту БЛА в щільних групових порядках. Так, помилки у визначенні відносного положення ЛА в групі можуть досягати величин 30-400 м залежно від дальності до радіомаяків (наприклад сучасна радіонавігаційна система "Тропік" дозволяє визначати координати з точністю 0,13 - 1,3 км). У той же час дана ідеологія може бути застосована для польоту великої кількості ЛА по кілька ЛА в щільних групах, причому, ці групи ЛА можуть перебувати між собою на відстанях до десятків кілометрів (за принципом "ведучий з ведучим"). Іншим і основним недоліком такого шляху є те, що він забезпечує водіння ЛА в групових порядках тільки в межах прямої видимості радіомаячних систем. На думку зарубіжних фахівців, застосування зв емной апаратури для автоматичного керування польотом групи ЛА технічно легше реалізується, не накладає обмежень на мас су, обсяг і умови експлуатації апаратури. Проте ці висновки не є достатньо переконливими, оскільки автономна САУ дозволяє вирішувати завдання польоту строєм без обмежень, накладених каналами зв'язку з наземним пунктом управління, а також в умовах радіопротидії. Що стосується вождя ення в строю безпілотних літаків з використанням наземного радіотехнічес кого комплексу, в с остав якого входить оглядовий радіолокатор, то відносно низька роздільна здатність оглядового радіолокатора не може забезпечити визначення координат з достатньою точністю, необхідної для водіння ЛА з необхідними параметрами ладу. Тому груповий політ строєм може бути здійснення н при дис танцює між ЛА не менше 1,5-2 км. Використання методів кореляційно-екстремальної навігації, які отримали в даний час велике застосування в сучасних пілотажно-навігаційних комплексах, неможливі для СМСН БЛА в щільних бойових порядках через обмеженої точності, яка, за зарубіжними даними, характеризується сотнями метрів. Таким чином, її застосування недостатньо для польоту в щільних бойових порядках на основі чотиривимірний навігації кожного з ЛА. Однак цей принцип може бути використаний для зад ачи збору ЛА в групу. У цьому случ ає на ста дии під готування п олетного завдання кожному Л А призначається крапка в тривимірному просторі, в яку він повинен прибути в призначений момент часу в заданому напрямку.

Автономне управління польотом ЛА в строю на основі вимірів параметрів відносного руху, одержуваних за допомогою далекомірних та кутомірних коштів локації і візування провідного ЛА веденим, дозволяє забезпечити політ у групі при дальностях між ними 30-150 м.

У деяких випадках автономне управління не завжди можна здійснити через малої дальності дії з истема вимірювань параметрів относ мон руху, тобто не може бути вирішена задача збору ЛА в групу. Тому в деяких випадках може виявитися необхідним використання комбінованого управління. При досить великих відстанях між ЛА використовується неавтономні управління, а при малих  автономне керування.

Таким чином, проведений вище аналіз теоретичних робіт і стан рівня досліджень, присвячених питанню автоматизації управ ління ЛА в строю, показав, що принципи, закладені в їх основу, не дозволяють в повній мірі реалізувати їх у СМСН БЛА. Невирішене нние з даної проблематики завдання обумовлюють актуальність розробки алгоритмів керування та обробки інформації для СМСН БЛА, за допомогою яких здійснюється витримування СМСН заданих параметрів ладу в прямолінійному польоті і при маневруванні провідного БЛА.

Проблеми управ ління ЛА в групі можна об'єднати в три групи.

Перша група проблем св язана з рішенням задачі вибору алгоритмів керування та обробки інформації для польоту ЛА в строю. Друга група проблем определяетс я завданням побудови САУ, яка буде вести ЛА відповідно до обраного закону з точністю, що отримується з умови без небезпеки, і, нарешті, завдання, до якої належить третя група проблем, полягає у виборі технічних засобів, за допомогою яких можна забезпечити політ ЛА в строю.

Технічні засоби, що дозволяють здійснювати груповий політ ЛА, це перш за все ті прилади та пристрої, які дозволяють визначати параметри відносного руху ЛА. Вони повинні забезпечувати отримання необхідної далекомірної і кутомірної інформації. Ця вимірювальна апаратура може бути заснована на самих різних фізичних принципах радіотехнічних, оптичних, квантомеханические. На сьогоднішній день найбільш перспективним є шлях використання радіотехнічних засобів вимірювання дальності і кутів місця та азимуту. Наявність радіолокатора на борту ЛА дозволяє не тільки забезпечувати груповий політ ЛА, але й істотно розширити його можливості. Більше того, більшість сучасних ЛА вже мають бортові РЛС різного призначення (метеонавігаціонние, наведення, оглядові, і т.д.). Для бортової РЛС найбільш оптимальним є використання міліметрового діапазону хвиль.

Незважаючи на відносно високу затухання (0,1-0,2 дБ / км) знижує дальність виявлення, міліметрові хвилі володіють наступними перевагами, що забезпечують високу роздільну здатність в часі і просторі:

отримання вузьких діаграм спрямованості в прийнятних апертурах,

широкі смуги частотних каналів при значному їх числі, тобто при вирішенні задач електромагнітної сумісності (ширина смуги вікна прозорості на 8,6 мм, що дорівнює 12 ГГц перевищує весь діапазон сантиметрових хвиль),

ефективна поверхня розсіювання цілей у міліметровому діапазоні значно зростає в порівнянні з сантиметровим.

Зазначені переваги очевидні і спроби їх використання почалися з середини 50-х років. Проте лише в 80-90-ті роки вдалося створити досить технологічну елементну базу з прийнятними параметрами.

В даний час середня потужність твердотільних вихідних пристроїв може досягати десятка Ват, а чутливість малогабаритного приймача 600-900 К, що забезпечує виконання основних вимог до бортової РЛС.

Нижче наводиться короткий огляд існуючих зарубіжних бортових радіолокаційних і навігаційних станцій.

РЛС WX-50 фірми Вестенгауз пройшла випробування на літаках TA-41, OV-10 і вертольоті UH-1N. Некогерентних РЛС 8 мм діапазону забезпечує роботу в наступних режимах:

обліт перешкод і проходження по рельєфу місцевості,

виявлення та селекція наземних і рухомих цілей,

картографування земної поверхні,

вимір висоти польоту,

пеленгація джерел випромінювання (маяків).

РЛС AN APQ-137B, що працює в діапазоні частот 34,5 ГГц і дозволяє виявляти рушійні наземні цілі. Радіолокатор розміщується у підвісній контейнері.

РЛС Saiga-2 фірми МарсельДассо 8 мм діапазону призначений для запобігання зіткнень з перешкодами та повітряними об'єктами і забезпечує політ в режимі проходження рельєфу місцевості при несприятливих метеоумовах і в нічний час. Цей радіолокатор може також використовуватися для навігаційних цілей.

РЛС E391, розроблена фірмою EM1 Електронікс (Англія), являє собою апаратуру високого дозволу. Цей локатор може встановлюватися як на літаку, так і в окремому контейнері.

Одним з вітчизняних аналогів цієї апаратури є РЛС "Алмаз". Основною особливістю цієї РЛС є застосування 8 мм діапазону, висока роздільна здатність по дальності (до 4 м) і куту (до 1,2 °), мала імпульсна потужність (3 Вт) при низькій шпаруватості.

Станція заснована на використанні квазібезперервному широкосмугового сигналу з лінійною частотною модуляцією. База сигналу 20000 дозволяє забезпечувати високу завадостійкість в умовах природних і штучних перешкод.

Кореляційна згортка сигналу, яка використовується для стиснення спектра, доповнена цифровий расфільтровкой по дальностним каналах, що дозволяє варіювати технічні характеристики РЛС, адаптуючи систему обробки до конкретного завдання та радіолокаційної обстановці.

Таблиця 1

Що стосується вибору алгоритмів керування та обробки інформації, то в загальному випадку алгоритм управління польотом ЛА в гру пою, реалізований у БЦВМ, повинен забезпечувати вирішення наступних основних завдань [2]:

обробка результатів вимірювань з метою отримання оцінок параметрів движ ения, використовуваних при визначенні керуючих впливів,

визначення відхилень розрахункових параметрів від необхідних завдань,

в ичісленіе керуючих впливів,

відпрацювання управляюще їх впливів за допомогою внутрішніх контурів управління і автомата управління тягою двигуна.