Федеральне агентство з освіти Російської Федерації
Державна освітня установа вищої професійної освіти
«Південно-Уральський державний університет»
Факультет Аерокосмічний
Кафедра Літальні апарати та управління
Реферат
з історії аерокосмічної техніки
Опис систем управління безпілотними літальними апаратами
Челябінськ 2009
Введення
Сам по собі БЛА - лише частина складного багатофункціонального комплексу. Як правило, основне завдання, що покладається на комплекси БЛА, - проведення розвідки важкодоступних районів, в яких отримання інформації звичайними засобами, включаючи авіарозвідку, ускладнене або ж наражає на небезпеку здоров'я і навіть життя людей. Крім військового використання застосування комплексів БЛА відкриває можливість оперативного і недорогого способу обстеження важкодоступних ділянок місцевості, періодичного спостереження заданих районів, цифрового фотографування для використання в геодезичних роботах та у випадках надзвичайних ситуацій. Отримана бортовими засобами моніторингу інформація повинна в режимі реального часу передаватися на пункт управління для обробки і прийняття адекватних рішень. В даний час найбільшого поширення набули тактичні комплекси мікро та міні-БЛА. У зв'язку з більшою злітною масою міні-БЛА їх корисне навантаження за своїм функціональним складом найбільш повно представляє складу бортового обладнання, що відповідає сучасним вимогам до універсального розвідувального БЛА. Тому далі розглянемо складу корисного навантаження міні-БЛА.
Історія
У 1898 р. Нікола Тесла розробив і продемонстрував мініатюрне радіокерований судно. У 1910 р., натхненний успіхами братів Райт, молодий американський військовий інженер з Огайо Чарльз Кеттерінг запропонував використовувати літальні апарати без людини. За його задумом кероване годинниковим механізмом пристрій у заданому місці повинно було скидати крила і падати як бомба на ворога. Отримавши фінансування армії США, він побудував, і з перемінним успіхом випробував кілька пристроїв, що отримали назви The Kattering Aerial Torpedo, Kettering Bug (або просто Bug), але в бойових діях вони так і не застосовувалися. У 1933 р. у Великобританії розроблений перший БПЛА багаторазового використання Queen Bee. Були використані три відреставрованих біплана Fairy Queen, дистанційно керовані з судна по радіо. Два з них потерпіли аварію, а третій здійснив успішний політ, зробивши Великобританію першою країною, ізвлекшій користь з БПЛА. Ця радіокерована безпілотна мішень під назвою DH82A Tiger Moth використовувалася на королівському Військово-морському флоті з 1934 по 1943 р. Армія і ВМФ США з 1940 року використовували ДПЛА Radioplane OQ-2 як літак-мішені. На кілька десятків років випередили свій час дослідження німецьких вчених, які дали світу протягом 40-х років реактивний двигун і крилату ракету. Практично до кінця вісімдесятих, кожна вдала конструкція БПЛА «від крилатої ракети» являла собою розробку на базі «Фау-1», а «від літака» - «Фокке-Вульф» Fw 189. Ракета Фау-1 була першим застосовувався в реальних бойових діях безпілотним літальним апаратом. Протягом другої світової війни німецькі вчені вели розробки декількох радіокерованих типів зброї, включаючи керовані бомби Henschel Hs 293 і Fritz X, ракету Enzian і радіокерований літак, заповнений вибуховою речовиною. Незважаючи на незавершеність проектів, Fritz X і Hs 293 використовувалися на Середземному морі проти броньованих військових кораблів. Менш складним і створеним скоріше з політичними, ніж з військовими цілями літак V1 Buzz Bomb з реактивним двигуном пульсуючим, який міг запускатися як із землі, так і з повітря. У СРСР в 1930-1940 рр.. авіаконструктором Нікітіним розроблявся торпедоносець-планер спеціального призначення (ПСН-1 і ПСН-2) типу «літаюче крило» у двох варіантах: пілотований тренувально-пристрілювальний і безпілотний з повною автоматикою. На початку 1940 р. був представлений проект безпілотної літаючої торпеди з дальністю польоту від 100 км і вище (при швидкості польоту 700 км / год). Однак цим розробкам не судилося втілиться в реальні конструкції. У 1941 році були вдалі застосування важких бомбардувальників ТБ-3 як БПЛА для знищення мостів. Під час другої світової війни ВМС США для нанесення ударів по базах німецьких підводних човнів намагалися використовувати дистанційно пілотовані системи палубного базування на базі літака B-17. Після другої світової війни в США продовжилися розробки деяких видів БПЛА. Під час війни у Кореї для знищення мостів успішно застосовувалася радіокерована бомба Tarzon. 23 вересня 1957 КБ Туполєва отримав держзамовлення на розробку мобільного ядерної надзвуковий крилатої ракети середнього радіусу дії. Перший зліт моделі Ту-121 був здійснений 25 серпня 1960 р., але програма була закрита на користь балістичних ракет КБ Корольова. Створена ж конструкція знайшла застосування в якості мішені, а також при створенні безпілотних літаків розвідників Ту-123 «Яструб», Ту-143 «Рейс» і Ту-141 «Стриж», що стояли на озброєнні ВПС СРСР з 1964 по 1979 р. Ту- 143 «Рейс» протягом 70-х років поставлявся в африканські та близькосхідні країни, в тому числі і в Ірак. Ту-141 «Стриж» перебуває на озброєнні ВПС України і понині. Комплекси «Рейс» з БРЛА Ту-143 експлуатуються до нашого часу, поставлялися до Чехословаччини (1984 р.), Румунію, Ірак і Сирію (1982 р.), використовувались у бойових діях під час Ліванської війни. У Чехословаччині в 1984 р. були сформовані дві ескадрильї, одна з яких в даний час перебувати в Чехії, інша - у Словаччині. На початку 1960-х років дистанційно-пілотовані літальні апарати використовувалися США для спостереження за ракетними розробками в Радянському Союзі й на Кубі. Після того, як були збиті RB-47 і два U-2, для виконання розвідувальних робіт була почата розробка висотного безпілотного розвідника Red Wadon (модель 136). БПЛА мав високо розташовані крила і малу радіолокаційну і інфрачервону помітність. Під час війни у В'єтнамі з зростанням втрат американської авіації від ракет в'єтнамських ЗРК зросло використання БПЛА. В основному вони використовувалися для ведення фоторозвідки, іноді для цілей РЕБ. Зокрема, для ведення радіотехнічної розвідки застосовувалися БПЛА 147E. Незважаючи на те що, в кінцевому рахунку, він був збитий, безпілотник передавав на наземний пункт характеристики в'єтнамського ЗРК C75 протягом усього свого польоту. Цінність цієї інформації була порівнянна з повною вартістю програми розробки безпілотного літального апарату. Вона також дозволила зберегти життя багатьом американським льотчикам, а також літаки протягом наступних 15 років, аж до 1973 р. В ході війни американські БПЛА скоїли майже 3500 польотів, причому втрати склали близько чотирьох відсотків. Апарати застосовувалися для ведення фоторозвідки, ретрансляції сигналу, розвідки радіоелектронних засобів, РЕБ і в якості помилкових цілей для ускладнення повітряної обстановки. Але повна програма БПЛА була оповита таємницею настільки, що її успіх, який повинен був стимулювати розвиток БПЛА після кінця військових дій, в значній мірі залишився непоміченим. Безпілотні літальні апарати застосовувалися Ізраїлем під час арабо-ізраїльського конфлікту в 1973 р. Вони використовувалися для спостережень і розвідки, а також в якості помилкових цілей. У 1982 р. БПЛА використовувалися під час бойових дій в долині Бекаа в Лівані. Ізраїльський БПЛА AI Scout і малорозмірні дистанційно-пілотовані літальні апарати Mastiff провели розвідку і спостереження сирійських аеродромів, позицій ЗРК і пересувань військ. За інформацією, отриманої за допомогою БПЛА, відволікаюча група ізраїльської авіації перед ударом головних сил викликала включення радіолокаційних станцій сирійських ЗРК, за якими було завдано удару з допомогою самонавідних протирадіолокацій ракет, а ті кошти, які не були знищені, були придушені перешкодами. Успіх ізраїльської авіації було вражаючим - Сирія втратила 18 батарей ЗРК. СРСР ще в 70-ті-80-і роки був лідером з виробництва БПЛА, тільки Ту-143 було випущено близько 950 штук. Дистанційно-пілотовані літальні апарати та автономні БПЛА використовувалися обома сторонами протягом війни в Перській затоці 1991 р., перш за все як платформи спостереження і розвідки. США, Англія, і Франція розгорнули і ефективно використовували системи типу Pioneer, Pointer, Exdrone, Midge, Alpilles Mart, CL-89. Ірак використовував Al Yamamah, Makareb-1000, Sahreb-1 і Sahreb-2. Під час операції «Буря в пустелі» БПЛА тактичної розвідки коаліції зробили понад 530 вильотів, наліт склав близько 1700 годин. При цьому 28 апаратів були пошкоджені, включаючи 12, які були збиті. З 40 БПЛА Pioneer, використовуваних США, 60 відсотків були пошкоджені, але 75 відсотків виявилися ремонтопридатності. З усіх втрачених БПЛА тільки 2 ставилися до бойових втрат. Низький коефіцієнт втрат обумовлений найімовірніше невеликими розмірами БПЛА, в силу чого іракська армія вважала що вони не становлять великої загрози. БПЛА також використовувалися і в операціях з підтримання миру силами ООН в колишній Югославії. У 1992 р. Організація Об'єднаних Націй санкціонувала використання військово-повітряних сил НАТО, щоб забезпечити прикриття Боснії з повітря, підтримувати наземні війська, розміщені по всій країні. Для виконання цього завдання потрібно ведення цілодобової розвідки.
У серпні 2008 року ВПС США завершили переозброєння безпілотними літальними апаратами MQ-9 Reaper першої бойової авіачастини - 174-го винищувального авіакрила Національної гвардії. Переозброєння відбувалося протягом трьох років. Ударні БПЛА показали високу ефективність в Афганістані та Іраку. Основні переваги перед заміненими F-16: менша вартість закупівлі та експлуатації, велика тривалість польоту, безпеку операторів.
Склад бортового обладнання сучасних БЛА
Для забезпечення завдань спостереження підстилаючої поверхні в реальному масштабі часу у процесі польоту і цифрового фотографування вибраних ділянок місцевості, включаючи важкодоступні ділянки, а також визначення координат досліджуваних ділянок місцевості корисне навантаження БЛА [3,4,5] повинна містити в своєму складі:
• Пристрої отримання видової інформації:
• Супутникову навігаційну систему (ГЛОНАСС / GPS);
• Пристрої радіолінії видовий і телеметричної інформації;
• Пристрої командно-навігаційної радіолінії з антенно-фідерних пристроєм;
• Пристрій обміну командної інформацією;
• Пристрій інформаційного обміну;
• Бортова цифрова обчислювальна машина (БЦВМ);
• Пристрій зберігання видової інформації.
Сучасні телевізійні (ТБ) камери забезпечують надання оператору в реальному часі картини спостерігається місцевості в форматі найбільш близькому до характеристик зорового апарату людини, що дозволяє йому вільно орієнтуватися на місцевості і за необхідності виконувати пілотування БЛА. Можливості по виявленню, і розпізнаванню об'єктів визначаються характеристиками фотоприймача і оптичної системи телевізійні камери. Основним недоліком сучасних телевізійних камер є їх обмежена чутливість, що не забезпечує всесуточності застосування. Застосування тепловізійних (ТПВ) камер дозволяє забезпечити всесуточность застосування БЛА. Найбільш перспективним є застосування комбінованих теле-тепловізійних систем. При цьому оператору представляється синтезоване зображення, що містить найбільш інформативні частини, притаманні мабуть і інфрачервоному діапазонах довжин хвиль, що дозволяє істотно підвищити тактико-технічні характеристики системи спостереження. Однак подібні системи складні технічно і досить дорогі. Застосування РЛС дозволяє отримувати інформацію цілодобово і при несприятливих метеоумовах, коли ТБ і ТПВ канали не забезпечують отримання інформації. Застосування змінних модулів, дозволяє знизити вартість і реконфигурирован складу бортового обладнання для вирішення поставленого завдання в конкретних умовах застосування. Розглянемо склад бортового обладнання міні-БЛА.
▪ Оглядовий курсове пристрій закріплюється нерухомо під деяким кутом до стройової осі літального апарату, що забезпечує необхідну зону захоплення на місцевості. До складу оглядового курсового пристрою може входити телевізійна камера (ТК) з шірокопольним об'єктивом (ШПЗ). Залежно від розв'язуваних завдань може бути оперативно замінена або доповнена тепловізійної камерою (ТПВ), цифровим фотоапаратом (ЦФА) або РЛС.
▪ Пристрій детального огляду з поворотним пристроєм складається з ТК детального огляду з узкопольним об'єктивом (УПЗ) і трикоординатної поворотного пристрою, що забезпечує розворот камери за курсом, крену і тангажу по командах оператора для детального аналізу конкретної ділянки місцевості. Для забезпечення роботи в умовах зниженої освітленості ТК може бути доповнена тепловізійної камерою (ТПВ) на мікроболометричних матриці з узкопольним об'єктивом. Можлива також заміна ТК на ЦФА. Подібне рішення дозволить використовувати БЛА для проведення аерофотозйомки при розвороті оптичної осі ЦФА в надир.
▪ Пристрої радіолінії видовий і телеметричної інформації (передавач та антенно-фідерне пристрій) повинні забезпечувати передачу видовий і телеметричної інформації в реальному або близькому до реального масштабі часу на ПУ в межах радіовидимості.
▪ Пристрої командно-навігаційної радіолінії (приймач і антенно-фідерне пристрій) мають забезпечувати приймання в межах радіовидимості команд пілотування БЛА і управління його обладнанням.
▪ Пристрій обміну командної інформацією забезпечує розподіл командно і навігаційної інформації по споживачах на борту БЛА.
▪ Пристрій інформаційного обміну забезпечує розподіл видової інформації між бортовими джерелами видової інформації, передавачем радіолінії видової інформації і бортовим пристроєм зберігання видової інформації. Цей пристрій також забезпечує інформаційний обмін між усіма функціональними пристроями, що входять до складу корисного навантаження БЛА за обраним інтерфейсу (наприклад, RS-232). Через зовнішній порт цього пристрою перед злетом БЛА проводиться введення польотного завдання і здійснюється передстартовий автоматизований вбудований контроль на функціонування основних вузлів і систем БЛА.
▪ Супутникова навігаційна система забезпечує прив'язку координат (топопрівязкі) БЛА і спостережуваних об'єктів за сигналами глобальної супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС (GPS). Супутникова навігаційна система складається з одного або двох приймачів (ГЛОНАСС / GPS) з антенними системами. Застосування двох приймачів, антени яких рознесені по будівельній осі БЛА, дозволяє визначати крім координат БЛА значення його курсового кута.
▪ Бортова цифрова обчислювальна машина (БЦВМ) забезпечує управління бортовим комплексом БЛА.
▪ Пристрій зберігання видової інформації забезпечує накопичення обраної оператором (або відповідно до польотного завдання) видової інформації до моменту посадки БЛА. Цей пристрій може бути знімним або стаціонарним. В останньому випадку повинен бути передбачений канал знімання накопиченої інформації в зовнішні пристрої після посадки БЛА. Інформація, лічена з пристрою зберігання видової інформації, дозволяє проводити більш детальний аналіз при дешифруванні отриманої в польоті БЛА видової інформації.
▪ Вбудований блок живлення забезпечує узгодження по напрузі і струмів споживання бортового джерела живлення і пристроїв, що входять до складу корисного навантаження, а також оперативний захист від коротких замикань і перевантажень в електромережі. Залежно від класу БЛА корисне навантаження може доповнюватися різними видами РЛС, датчиками екологічного, радіаційного та хімічного моніторингу. Комплекс управління БЛА являє собою складну, багаторівневу структуру, основне завдання якої - забезпечити виведення БЛА в заданий район і виконання операцій відповідно до польотного завдання, а також забезпечити доставку інформації, отриманої бортовими засобами БЛА, на пункт управління.
Бортовий комплекс навігації та управління БЛА
Бортовий комплекс "Лелека" є повнофункціональним засобом навігації та управління безпілотного літального апарату (БЛА) літакової схеми. Комплекс забезпечує: визначення навігаційних параметрів, кутів орієнтації і параметрів руху БЛА (кутових швидкостей і прискорень); навігацію і управління БЛА при польоті по заданій траєкторії; стабілізацію кутів орієнтації БЛА в польоті; видачу в канал передачі телеметричної інформації про навігаційні параметрах, кутах орієнтації БЛА . Центральним елементом БК "Лелека" є малогабаритна інерціальна навігаційна система (ІНС), інтегрована з приймачем супутникової системи навігації. Побудована на базі мікроелектромеханічних датчиків (МЕМS гіроскопів і акселерометрів) за принципом безплатформного ІНС, система є унікальним високотехнологічним виробом, гарантує високу точність навігації, стабілізації та управління ЛА будь-якого класу. Вбудований датчик статичного тиску забезпечує динамічне визначення висоти і вертикальної швидкості. Склад бортового комплексу: блок інерціальної навігаційної системи; приймач СНС; блок автопілота; накопичувач льотних даних; датчик повітряної швидкості У базовій конфігурації управління здійснюється по каналах: елерони; кермо висоти; кермо напряму; контролер двигуна. Комплекс сумісний з радіоканалом РСМ (імпульсно-кодова модуляція) і дозволяє управляти БЛА як в ручному режимі зі стандартного пульта дистанційного управління, так і в автоматичному, по командах автопілота. Керуючі команди автопілота генеруються у формі стандартних широтно-імпульсно-модульованих (ШІМ) сигналів, що підходять до більшості типів виконавчих механізмів. Фізичні характеристики:
Державна освітня установа вищої професійної освіти
«Південно-Уральський державний університет»
Факультет Аерокосмічний
Кафедра Літальні апарати та управління
Реферат
з історії аерокосмічної техніки
Опис систем управління безпілотними літальними апаратами
Челябінськ 2009
Введення
Сам по собі БЛА - лише частина складного багатофункціонального комплексу. Як правило, основне завдання, що покладається на комплекси БЛА, - проведення розвідки важкодоступних районів, в яких отримання інформації звичайними засобами, включаючи авіарозвідку, ускладнене або ж наражає на небезпеку здоров'я і навіть життя людей. Крім військового використання застосування комплексів БЛА відкриває можливість оперативного і недорогого способу обстеження важкодоступних ділянок місцевості, періодичного спостереження заданих районів, цифрового фотографування для використання в геодезичних роботах та у випадках надзвичайних ситуацій. Отримана бортовими засобами моніторингу інформація повинна в режимі реального часу передаватися на пункт управління для обробки і прийняття адекватних рішень. В даний час найбільшого поширення набули тактичні комплекси мікро та міні-БЛА. У зв'язку з більшою злітною масою міні-БЛА їх корисне навантаження за своїм функціональним складом найбільш повно представляє складу бортового обладнання, що відповідає сучасним вимогам до універсального розвідувального БЛА. Тому далі розглянемо складу корисного навантаження міні-БЛА.
Історія
У 1898 р. Нікола Тесла розробив і продемонстрував мініатюрне радіокерований судно. У 1910 р., натхненний успіхами братів Райт, молодий американський військовий інженер з Огайо Чарльз Кеттерінг запропонував використовувати літальні апарати без людини. За його задумом кероване годинниковим механізмом пристрій у заданому місці повинно було скидати крила і падати як бомба на ворога. Отримавши фінансування армії США, він побудував, і з перемінним успіхом випробував кілька пристроїв, що отримали назви The Kattering Aerial Torpedo, Kettering Bug (або просто Bug), але в бойових діях вони так і не застосовувалися. У 1933 р. у Великобританії розроблений перший БПЛА багаторазового використання Queen Bee. Були використані три відреставрованих біплана Fairy Queen, дистанційно керовані з судна по радіо. Два з них потерпіли аварію, а третій здійснив успішний політ, зробивши Великобританію першою країною, ізвлекшій користь з БПЛА. Ця радіокерована безпілотна мішень під назвою DH82A Tiger Moth використовувалася на королівському Військово-морському флоті з 1934 по 1943 р. Армія і ВМФ США з 1940 року використовували ДПЛА Radioplane OQ-2 як літак-мішені. На кілька десятків років випередили свій час дослідження німецьких вчених, які дали світу протягом 40-х років реактивний двигун і крилату ракету. Практично до кінця вісімдесятих, кожна вдала конструкція БПЛА «від крилатої ракети» являла собою розробку на базі «Фау-1», а «від літака» - «Фокке-Вульф» Fw 189. Ракета Фау-1 була першим застосовувався в реальних бойових діях безпілотним літальним апаратом. Протягом другої світової війни німецькі вчені вели розробки декількох радіокерованих типів зброї, включаючи керовані бомби Henschel Hs 293 і Fritz X, ракету Enzian і радіокерований літак, заповнений вибуховою речовиною. Незважаючи на незавершеність проектів, Fritz X і Hs 293 використовувалися на Середземному морі проти броньованих військових кораблів. Менш складним і створеним скоріше з політичними, ніж з військовими цілями літак V1 Buzz Bomb з реактивним двигуном пульсуючим, який міг запускатися як із землі, так і з повітря. У СРСР в 1930-1940 рр.. авіаконструктором Нікітіним розроблявся торпедоносець-планер спеціального призначення (ПСН-1 і ПСН-2) типу «літаюче крило» у двох варіантах: пілотований тренувально-пристрілювальний і безпілотний з повною автоматикою. На початку 1940 р. був представлений проект безпілотної літаючої торпеди з дальністю польоту від 100 км і вище (при швидкості польоту 700 км / год). Однак цим розробкам не судилося втілиться в реальні конструкції. У 1941 році були вдалі застосування важких бомбардувальників ТБ-3 як БПЛА для знищення мостів. Під час другої світової війни ВМС США для нанесення ударів по базах німецьких підводних човнів намагалися використовувати дистанційно пілотовані системи палубного базування на базі літака B-17. Після другої світової війни в США продовжилися розробки деяких видів БПЛА. Під час війни у Кореї для знищення мостів успішно застосовувалася радіокерована бомба Tarzon. 23 вересня 1957 КБ Туполєва отримав держзамовлення на розробку мобільного ядерної надзвуковий крилатої ракети середнього радіусу дії. Перший зліт моделі Ту-121 був здійснений 25 серпня 1960 р., але програма була закрита на користь балістичних ракет КБ Корольова. Створена ж конструкція знайшла застосування в якості мішені, а також при створенні безпілотних літаків розвідників Ту-123 «Яструб», Ту-143 «Рейс» і Ту-141 «Стриж», що стояли на озброєнні ВПС СРСР з 1964 по 1979 р. Ту- 143 «Рейс» протягом 70-х років поставлявся в африканські та близькосхідні країни, в тому числі і в Ірак. Ту-141 «Стриж» перебуває на озброєнні ВПС України і понині. Комплекси «Рейс» з БРЛА Ту-143 експлуатуються до нашого часу, поставлялися до Чехословаччини (1984 р.), Румунію, Ірак і Сирію (1982 р.), використовувались у бойових діях під час Ліванської війни. У Чехословаччині в 1984 р. були сформовані дві ескадрильї, одна з яких в даний час перебувати в Чехії, інша - у Словаччині. На початку 1960-х років дистанційно-пілотовані літальні апарати використовувалися США для спостереження за ракетними розробками в Радянському Союзі й на Кубі. Після того, як були збиті RB-47 і два U-2, для виконання розвідувальних робіт була почата розробка висотного безпілотного розвідника Red Wadon (модель 136). БПЛА мав високо розташовані крила і малу радіолокаційну і інфрачервону помітність. Під час війни у В'єтнамі з зростанням втрат американської авіації від ракет в'єтнамських ЗРК зросло використання БПЛА. В основному вони використовувалися для ведення фоторозвідки, іноді для цілей РЕБ. Зокрема, для ведення радіотехнічної розвідки застосовувалися БПЛА 147E. Незважаючи на те що, в кінцевому рахунку, він був збитий, безпілотник передавав на наземний пункт характеристики в'єтнамського ЗРК C75 протягом усього свого польоту. Цінність цієї інформації була порівнянна з повною вартістю програми розробки безпілотного літального апарату. Вона також дозволила зберегти життя багатьом американським льотчикам, а також літаки протягом наступних 15 років, аж до 1973 р. В ході війни американські БПЛА скоїли майже 3500 польотів, причому втрати склали близько чотирьох відсотків. Апарати застосовувалися для ведення фоторозвідки, ретрансляції сигналу, розвідки радіоелектронних засобів, РЕБ і в якості помилкових цілей для ускладнення повітряної обстановки. Але повна програма БПЛА була оповита таємницею настільки, що її успіх, який повинен був стимулювати розвиток БПЛА після кінця військових дій, в значній мірі залишився непоміченим. Безпілотні літальні апарати застосовувалися Ізраїлем під час арабо-ізраїльського конфлікту в 1973 р. Вони використовувалися для спостережень і розвідки, а також в якості помилкових цілей. У 1982 р. БПЛА використовувалися під час бойових дій в долині Бекаа в Лівані. Ізраїльський БПЛА AI Scout і малорозмірні дистанційно-пілотовані літальні апарати Mastiff провели розвідку і спостереження сирійських аеродромів, позицій ЗРК і пересувань військ. За інформацією, отриманої за допомогою БПЛА, відволікаюча група ізраїльської авіації перед ударом головних сил викликала включення радіолокаційних станцій сирійських ЗРК, за якими було завдано удару з допомогою самонавідних протирадіолокацій ракет, а ті кошти, які не були знищені, були придушені перешкодами. Успіх ізраїльської авіації було вражаючим - Сирія втратила 18 батарей ЗРК. СРСР ще в 70-ті-80-і роки був лідером з виробництва БПЛА, тільки Ту-143 було випущено близько 950 штук. Дистанційно-пілотовані літальні апарати та автономні БПЛА використовувалися обома сторонами протягом війни в Перській затоці 1991 р., перш за все як платформи спостереження і розвідки. США, Англія, і Франція розгорнули і ефективно використовували системи типу Pioneer, Pointer, Exdrone, Midge, Alpilles Mart, CL-89. Ірак використовував Al Yamamah, Makareb-1000, Sahreb-1 і Sahreb-2. Під час операції «Буря в пустелі» БПЛА тактичної розвідки коаліції зробили понад 530 вильотів, наліт склав близько 1700 годин. При цьому 28 апаратів були пошкоджені, включаючи 12, які були збиті. З 40 БПЛА Pioneer, використовуваних США, 60 відсотків були пошкоджені, але 75 відсотків виявилися ремонтопридатності. З усіх втрачених БПЛА тільки 2 ставилися до бойових втрат. Низький коефіцієнт втрат обумовлений найімовірніше невеликими розмірами БПЛА, в силу чого іракська армія вважала що вони не становлять великої загрози. БПЛА також використовувалися і в операціях з підтримання миру силами ООН в колишній Югославії. У 1992 р. Організація Об'єднаних Націй санкціонувала використання військово-повітряних сил НАТО, щоб забезпечити прикриття Боснії з повітря, підтримувати наземні війська, розміщені по всій країні. Для виконання цього завдання потрібно ведення цілодобової розвідки.
У серпні 2008 року ВПС США завершили переозброєння безпілотними літальними апаратами MQ-9 Reaper першої бойової авіачастини - 174-го винищувального авіакрила Національної гвардії. Переозброєння відбувалося протягом трьох років. Ударні БПЛА показали високу ефективність в Афганістані та Іраку. Основні переваги перед заміненими F-16: менша вартість закупівлі та експлуатації, велика тривалість польоту, безпеку операторів.
Склад бортового обладнання сучасних БЛА
Для забезпечення завдань спостереження підстилаючої поверхні в реальному масштабі часу у процесі польоту і цифрового фотографування вибраних ділянок місцевості, включаючи важкодоступні ділянки, а також визначення координат досліджуваних ділянок місцевості корисне навантаження БЛА [3,4,5] повинна містити в своєму складі:
• Пристрої отримання видової інформації:
• Супутникову навігаційну систему (ГЛОНАСС / GPS);
• Пристрої радіолінії видовий і телеметричної інформації;
• Пристрої командно-навігаційної радіолінії з антенно-фідерних пристроєм;
• Пристрій обміну командної інформацією;
• Пристрій інформаційного обміну;
• Бортова цифрова обчислювальна машина (БЦВМ);
• Пристрій зберігання видової інформації.
Сучасні телевізійні (ТБ) камери забезпечують надання оператору в реальному часі картини спостерігається місцевості в форматі найбільш близькому до характеристик зорового апарату людини, що дозволяє йому вільно орієнтуватися на місцевості і за необхідності виконувати пілотування БЛА. Можливості по виявленню, і розпізнаванню об'єктів визначаються характеристиками фотоприймача і оптичної системи телевізійні камери. Основним недоліком сучасних телевізійних камер є їх обмежена чутливість, що не забезпечує всесуточності застосування. Застосування тепловізійних (ТПВ) камер дозволяє забезпечити всесуточность застосування БЛА. Найбільш перспективним є застосування комбінованих теле-тепловізійних систем. При цьому оператору представляється синтезоване зображення, що містить найбільш інформативні частини, притаманні мабуть і інфрачервоному діапазонах довжин хвиль, що дозволяє істотно підвищити тактико-технічні характеристики системи спостереження. Однак подібні системи складні технічно і досить дорогі. Застосування РЛС дозволяє отримувати інформацію цілодобово і при несприятливих метеоумовах, коли ТБ і ТПВ канали не забезпечують отримання інформації. Застосування змінних модулів, дозволяє знизити вартість і реконфигурирован складу бортового обладнання для вирішення поставленого завдання в конкретних умовах застосування. Розглянемо склад бортового обладнання міні-БЛА.
▪ Оглядовий курсове пристрій закріплюється нерухомо під деяким кутом до стройової осі літального апарату, що забезпечує необхідну зону захоплення на місцевості. До складу оглядового курсового пристрою може входити телевізійна камера (ТК) з шірокопольним об'єктивом (ШПЗ). Залежно від розв'язуваних завдань може бути оперативно замінена або доповнена тепловізійної камерою (ТПВ), цифровим фотоапаратом (ЦФА) або РЛС.
▪ Пристрій детального огляду з поворотним пристроєм складається з ТК детального огляду з узкопольним об'єктивом (УПЗ) і трикоординатної поворотного пристрою, що забезпечує розворот камери за курсом, крену і тангажу по командах оператора для детального аналізу конкретної ділянки місцевості. Для забезпечення роботи в умовах зниженої освітленості ТК може бути доповнена тепловізійної камерою (ТПВ) на мікроболометричних матриці з узкопольним об'єктивом. Можлива також заміна ТК на ЦФА. Подібне рішення дозволить використовувати БЛА для проведення аерофотозйомки при розвороті оптичної осі ЦФА в надир.
▪ Пристрої радіолінії видовий і телеметричної інформації (передавач та антенно-фідерне пристрій) повинні забезпечувати передачу видовий і телеметричної інформації в реальному або близькому до реального масштабі часу на ПУ в межах радіовидимості.
▪ Пристрої командно-навігаційної радіолінії (приймач і антенно-фідерне пристрій) мають забезпечувати приймання в межах радіовидимості команд пілотування БЛА і управління його обладнанням.
▪ Пристрій обміну командної інформацією забезпечує розподіл командно і навігаційної інформації по споживачах на борту БЛА.
▪ Пристрій інформаційного обміну забезпечує розподіл видової інформації між бортовими джерелами видової інформації, передавачем радіолінії видової інформації і бортовим пристроєм зберігання видової інформації. Цей пристрій також забезпечує інформаційний обмін між усіма функціональними пристроями, що входять до складу корисного навантаження БЛА за обраним інтерфейсу (наприклад, RS-232). Через зовнішній порт цього пристрою перед злетом БЛА проводиться введення польотного завдання і здійснюється передстартовий автоматизований вбудований контроль на функціонування основних вузлів і систем БЛА.
▪ Супутникова навігаційна система забезпечує прив'язку координат (топопрівязкі) БЛА і спостережуваних об'єктів за сигналами глобальної супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС (GPS). Супутникова навігаційна система складається з одного або двох приймачів (ГЛОНАСС / GPS) з антенними системами. Застосування двох приймачів, антени яких рознесені по будівельній осі БЛА, дозволяє визначати крім координат БЛА значення його курсового кута.
▪ Бортова цифрова обчислювальна машина (БЦВМ) забезпечує управління бортовим комплексом БЛА.
▪ Пристрій зберігання видової інформації забезпечує накопичення обраної оператором (або відповідно до польотного завдання) видової інформації до моменту посадки БЛА. Цей пристрій може бути знімним або стаціонарним. В останньому випадку повинен бути передбачений канал знімання накопиченої інформації в зовнішні пристрої після посадки БЛА. Інформація, лічена з пристрою зберігання видової інформації, дозволяє проводити більш детальний аналіз при дешифруванні отриманої в польоті БЛА видової інформації.
▪ Вбудований блок живлення забезпечує узгодження по напрузі і струмів споживання бортового джерела живлення і пристроїв, що входять до складу корисного навантаження, а також оперативний захист від коротких замикань і перевантажень в електромережі. Залежно від класу БЛА корисне навантаження може доповнюватися різними видами РЛС, датчиками екологічного, радіаційного та хімічного моніторингу. Комплекс управління БЛА являє собою складну, багаторівневу структуру, основне завдання якої - забезпечити виведення БЛА в заданий район і виконання операцій відповідно до польотного завдання, а також забезпечити доставку інформації, отриманої бортовими засобами БЛА, на пункт управління.
Бортовий комплекс навігації та управління БЛА
Бортовий комплекс "Лелека" є повнофункціональним засобом навігації та управління безпілотного літального апарату (БЛА) літакової схеми. Комплекс забезпечує: визначення навігаційних параметрів, кутів орієнтації і параметрів руху БЛА (кутових швидкостей і прискорень); навігацію і управління БЛА при польоті по заданій траєкторії; стабілізацію кутів орієнтації БЛА в польоті; видачу в канал передачі телеметричної інформації про навігаційні параметрах, кутах орієнтації БЛА . Центральним елементом БК "Лелека" є малогабаритна інерціальна навігаційна система (ІНС), інтегрована з приймачем супутникової системи навігації. Побудована на базі мікроелектромеханічних датчиків (МЕМS гіроскопів і акселерометрів) за принципом безплатформного ІНС, система є унікальним високотехнологічним виробом, гарантує високу точність навігації, стабілізації та управління ЛА будь-якого класу. Вбудований датчик статичного тиску забезпечує динамічне визначення висоти і вертикальної швидкості. Склад бортового комплексу: блок інерціальної навігаційної системи; приймач СНС; блок автопілота; накопичувач льотних даних; датчик повітряної швидкості У базовій конфігурації управління здійснюється по каналах: елерони; кермо висоти; кермо напряму; контролер двигуна. Комплекс сумісний з радіоканалом РСМ (імпульсно-кодова модуляція) і дозволяє управляти БЛА як в ручному режимі зі стандартного пульта дистанційного управління, так і в автоматичному, по командах автопілота. Керуючі команди автопілота генеруються у формі стандартних широтно-імпульсно-модульованих (ШІМ) сигналів, що підходять до більшості типів виконавчих механізмів. Фізичні характеристики:
розміри, мм: блок автопілота - 80 х 47 х 10; ІНС - 98 х 70 х 21; приймач СНС - 30 х 30 х 10; вага, кг: блок автопілота - 0,120; ІНС - 0,160; приймач СНС - 0,03. Електричні характеристики: напруга живлення, В - 10 ... 27; споживана потужність (макс.), Вт - 5. Навколишнє середовище: температура, град С - від -40 до +70; вібрація / удар, g - 20.
Управління: порти RS-232 (2) - прийом / передача даних; порти RS-422 (5) - зв'язок із зовнішніми пристроями; канали ШІМ (12) - керуючі пристрої; програмовані ППМ (255) - поворотні пункти маршруту. Робочі діапазони: крен - ± 180 °; тангажу - ± 90 °; курс (шляховий кут) - 0 ... 360; прискорення - ± 10 g; кутова швидкість - ± 150 ° / сек
Система управління просторовим положенням гостронаправлених антенних систем в комплексах БЛА
Сам по собі безпілотний літальний апарат (БЛА) - лише частина складного комплексу, одна з основних завдань якого - оперативне доведення отриманих відомостей до оперативного персоналу пункту управління (ПУ). Можливість забезпечення стійкого зв'язку є однією з найважливіших характеристик, що визначають експлуатаційні можливості комплексу управління БЛА і забезпечує доведення відомостей, отриманих БЛА, у режимі «реального часу» до оперативного персоналу ПУ. Для забезпечення зв'язку на значні відстані і підвищення перешкодозахищеності за рахунок просторової селекції в комплексах управління БЛА широко використовуються гостронаправлених антенні системи (АС) як на ПУ, так і на БЛА. Функціональна схема системи управління просторовим положенням остронаправленной АС, що забезпечує оптимізацію процесу входження у зв'язок в комплексах управління БЛА, наведена на рис. 1.
Система управління остронаправленной АС (див. рис. 1) включає в себе:
• Власне гостронаправлених АС, радіотехнічні параметри якої вибираються, виходячи з вимог забезпечення необхідної дальності зв'язку по радіолінії.
• Сервопрівод АС, що забезпечує просторову орієнтацію ДН АС в напрямку очікуваного появи випромінювання об'єкта зв'язку.
• Систему автоматичного супроводу за напрямом (АСН), що забезпечує стійке автосупроводження об'єкта зв'язку в зоні впевненого захоплення пеленгаційної характеристики системи АСН.
• радіоприймальних пристроїв, що забезпечує формування сигналу «Зв'язок», що свідчить про прийом інформації з заданою якістю.
• Процесор управління антенною системою, що забезпечує аналіз поточного стану системи управління АС, формування сигналів управління сервоприводом для забезпечення просторової орієнтації АС відповідно до польотного завдання і алгоритмом просторового сканування, аналіз наявності зв'язку, аналіз можливості переведення сервоприводу АС з режиму «Зовнішнє управління» в режим «Автосупровід», формування сигналу перекладу сервоприводу АС в режим «Зовнішнє управління».
Рис. 1. Функціональна схема системи управління просторовим положенням остронаправленной АС в комплексах управління БЛА
Основне завдання, що виконується системою управління просторовим положенням остронаправленной АС, - забезпечити стійке входження в зв'язок з об'єктом, заданим польотного завдання.
Ця задача розпадається на ряд підзадач:
• Забезпечення просторової орієнтації ДН АС в напрямку очікуваного появи випромінювання об'єкта зв'язку і її просторової стабілізації для випадку розташування АС на борту літального апарату.
• Розширення зони стійкого захоплення випромінювання об'єкта зв'язку за рахунок застосування дискретного алгоритму просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою.
• Перехід в режим стійкого автосупроводу об'єкта зв'язку системою АСН при виявленні об'єкта зв'язку.
• Забезпечення можливості повторного входження у зв'язок у разі її зриву. Для дискретного алгоритму просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою можна виділити наступні особливості:
• Сканування ДН АС здійснюється дискретно в часі і в просторі. • Просторові переміщення ДН АС при скануванні здійснюються таким чином, щоб не залишалося просторових зон, які не перекриваються зоною впевненого захоплення система АСН за весь цикл сканування (див. рис.2).
Рис.2. Приклад організації дискретного просторового сканування в азимутальній і угломестной площинах
Для кожного конкретного просторового положення, що визначається алгоритмом сканування, можна виділити дві фази: «Автосупровід» і «Зовнішнє управління».
• У фазі «Автосупровід» система АСН здійснює оцінку можливості прийому випромінювання об'єкта зв'язку для обраного просторового положення РСН.
У разі позитивного результату оцінки: Просторове сканування припиняється. Система АСН продовжує здійснювати автосупроводження випромінювання об'єкта зв'язку за своїм внутрішнім алгоритму. На вхід сервоприводу АС надходять сигнали просторової орієнтації АС за даними поточного пеленга об'єкта зв'язку від системи АСН X АСН (t). У разі негативного результату оцінки: Здійснюється просторове переміщення РСН АС в наступне просторове положення, яке визначається алгоритмом сканування.
• У фазі «Зовнішнє управління» на виході процесора управління антенною системою формуються сигнали управління сервоприводом АС. Компоненти сигналу керування сервоприводом забезпечують:
X 0 - первісну просторову орієнтацію ДН АС в напрямку на об'єкт зв'язку; ΔX ЛА (t)-парирування просторових еволюцій літального апарату; X Алг (t) - розширення зони стійкого захоплення випромінювання об'єкта зв'язку системи АСН відповідно до дискретним алгоритмом просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою.
У разі зриву зв'язку, починаючи з моменту часу Т СВ = 0 (пропажа сигналу «ЗВ'ЯЗОК»), сигнал X АСН (Т СВ = 0) запам'ятовується в пристрої «Обчислення та зберігання», і використовується в подальшому процесором управління АС як значення очікуваного пеленга об'єкта зв'язку. Процес входження в зв'язок повторюється як описано вище. У режимі «Зовнішнє управління» сигнал управління сервоприводом остронаправленной АС по каналах «курс», «тангажу» і «крен» може бути записаний
(1)
У режимі «Автосупровід» сигнал управління сервоприводом остронаправленной АС може бути записаний
(2)
Конкретний вид сигналів управління визначається конструктивними особливостями сервоприводу антеною системи.
Інерційна система БЛА
Ключовим моментом у згаданій ланцюжку є «вимір стану системи». Тобто координат місця розташування, швидкості, висоти, вертикальної швидкості, кутів орієнтації, а також кутових швидкостей і прискорень. У бортовому комплексі навігації та управління, розробленому і виробленим ТОВ «ТеКнол», функцію вимірювання стану системи виконує малогабаритна інерціальна інтегрована система (Мінс). Маючи у своєму складі тріади інерціальних датчиків мікромеханічних гіроскопів і акселерометоров), а також барометричний висотомір і тривісний магнітометр, і комплексіруя дані цих датчиків з даними приймача GPS, система виробляє повне навігаційне рішення за координатами і кутах орієнтації. Мінс розробки ТеКнола - це повна Інерційна система, в якій реалізований алгоритм безплатформного ІНС, інтегрованої з приймачем системи супутникової навігації. Саме в цій системі міститься «секрет» роботи всього комплексу управління БЛА. По суті, одночасно працюють три навігаційних системи в одному обчислювачі за одними і тими ж даними. Ми їх називаємо «платформами». Кожна з платформ реалізує свої принципи управління, маючи свої «правильні» частоти (низькі або високі). Майстер-фільтр вибирає оптимальне рішення з будь-якою з трьох платформ залежно від характеру руху. Цим забезпечується стійкість системи не тільки в прямолінійному русі, але і при віражах, некоординовані розворотах, бічному поривчастому вітрі. Система ніколи не втрачає обрій, ніж забезпечуються правильні реакції автопілота на зовнішні збурення і адекватний розподіл впливів між органами управління БЛА.
Бортовий комплекс управління БЛА
До складу Бортового Комплексу Навігації та Управління БЛА входять три складових елементи (Малюнок 1).
1. Інтегрована Навігаційна Система;
2. Приймач супутникової навігаційної системи
3. Модуль автопілота.__
Модуль автопілота здійснює вироблення керуючих команд у вигляді ШІМ (широтно-імпульсно-модульованих) сигналів, по законам управління, закладеним у його обчислювач. Крім управління БЛА, автопілот програмується на управління бортовою апаратурою:
• стабілізація відеокамери,
• синхронізований за часом і координатами спрацьовування затвора
фотоапарата,
• випуск парашута,
• скидання вантажу або відбір проб в заданій точці
та інші функції. У пам'ять автопілота може бути занесено до 255 поворотних пунктів маршруту. Кожна точка характеризується координатами, висотою проходження і швидкістю польоту.
У польоті автопілот також забезпечує видачу в канал передачі телеметричної інформації для стеження за польотом БЛА (Малюнок 2).
А що ж тоді являє собою «квазіавтопілот»? Багато фірм зараз декларують, що забезпечують своїх систем автоматичний політ за допомогою «найменшого в світі автопілота».
Найбільш показовий приклад такого рішення - продукція канадської фірми "Micropilot". Для формування сигналів управління тут використовують «сирі» дані - сигнали від гіроскопів і акселерометрів. Таке рішення за визначенням не є робастних (стійким до зовнішніх впливів і чутливим до умов польоту) і в тій чи іншій мірі працездатно тільки при польоті в стабільній атмосфері.
Будь-яке істотне зовнішнє обурення (порив вітру, висхідний потік або повітряна яма) може призвести до втрати орієнтації літального апарату і аварією. Тому всі, хто коли-небудь стикався з подібною продукцією, рано чи пізно розуміли обмеженість таких автопілотів, які ніяк не можуть бути використані в комерційних серійних системах БЛА.
Більш відповідальні розробники розуміючи, що необхідно даний навігаційне рішення, намагаються реалізувати навігаційний алгоритм із застосуванням відомих підходів Калмановського фільтрації.
На жаль, і тут не все так просто. Калмановського фільтрація - це всього лише допоміжний математичний апарат, а не рішення задачі. Тому неможливо створити робастної стійку систему, просто переносячи на MEMS інтегровані системи стандартний математичний апарат. Потрібна тонка і точне налаштування на конкретний додаток. У даному випадку - для маневреного об'єкта крилатої схеми. У нашій системі реалізований більш ніж 15-ти річний досвід розробки інерціальних систем і алгоритмів комплексування ІНС і GPS. До слова сказати, у світі лише кілька країн мають ноу-хау інерціальних систем. Це
Росія, США, Німеччина, Франція і Великобританія. За цим ноу-хау стоять наукові, конструкторські та технологічні школи, і щонайменше
наївно думати, що таку систему можна розробити і виготовити «на коліні» в інститутській лабораторії або в ангарі аеродрому. Дилетантський підхід тут, як і у всіх інших випадках, може призвести в кінцевому рахунку фінансовими втратами і втратою часу. Чому такий важливий автоматичний політ стосовно завдань, що вирішуються підприємствами паливно-енергетичного комплексу? Зрозуміло, що сам повітряний моніторинг не має альтернативи. Контроль за станом трубопроводів та інших об'єктів, завдання охорони, моніторингу та відеоспостереження найкраще вирішуються із застосуванням літальних апаратів. А от зниження витрат, забезпечення регулярності польотів, автоматизація збору й обробки інформації - тут, абсолютно справедливо приділяється увага безпілотної техніці, що й доводить високий інтерес фахівців до проходить виставці і форуму. Однак, як ми бачили на виставці, безпілотні системи також можуть являти собою складні і дорогі комплекси, які потребують підтримки, обслуговування, створення наземної інфраструктури та служб експлуатації. Найбільшою мірою це відноситься до комплексам, спочатку створеним для вирішення військових завдань, а тепер спішно адаптованим до господарських застосуванням. Окремо зупинимося на питаннях експлуатації. Управління БЛА - завдання для добре підготовленого професіонала. В армії США операторами БЛА стають діючі пілоти ВПС після річної підготовки та тренінгу. У багатьох аспектах це складніше, ніж пілотування літака, і, як відомо, більшість аварій безпілотних ЛА викликані помилками пілота-оператора. Автоматичні системи БЛА, оснащені повноцінною системою автоматичного управління вимагають мінімальної підготовки наземного персоналу, при цьому вирішують завдання на великій відстані від місця базування, поза контактом з наземною станцією, в будь-яких погодних умовах. Вони прості в експлуатації, мобільні, швидко розгортаються і не вимагають наземної інфраструктури. Можна стверджувати, що високі характеристики систем БЛА, оснащених повноцінної САУ, знижують експлуатаційні витрати і вимоги до персоналу.
Системи автоматичних БЛА
Які ж практичні результати застосування бортового комплексу з цієї інерціальній системою? Компанія «ТеКнол» розробила і пропонує замовникам системи автоматичних БЛА швидкого розгортання для вирішення завдань моніторингу і повітряного спостереження. Ці системи представлені на нашому стенді на виставці.
Автопілот в складі бортового комплексу навігації та управління забезпечує
• Автоматичний політ по заданому маршруту;
• Автоматичний зліт і захід на посадку;
• Підтримка заданої висоти і швидкості польоту;
• Стабілізацію кутів орієнтації;
• Програмне управління бортовими системами.
Оперативний БЛА.
Система багатоцільового БЛА розробляється компанією «Транзас» і оснащується комплексом навігації та управління «ТеКнола».
Оскільки управління БЛА малого розміру представляє найбільш важке завдання, наведемо приклади роботи бортового комплексу навігації та управління для оперативного міні-БЛА злітною вагою 3,5 кг.
При проведенні аерозйомки місцевості БЛА здійснює політ по лініях з інтервалом 50-70 метрів. Автопілот забезпечує проходження по маршруту з відхиленням, що не перевищує 10-15 метрів при швидкості вітру 7 м / с (Малюнок 5).
Зрозуміло, що найдосвідченіший пілот-оператор не в змозі забезпечити таку точність управління.
Рис. 5: Маршрут і траєкторія польоту міні БЛА при зйомці місцевості
Підтримка заданої висоти польоту також забезпечується Мінс, яка виробляє комплексне рішення за даними GPS, барометричного висотоміра і інерціальних датчиків. При автоматичному польоті по маршруту бортовий комплекс забезпечує точність підтримки висоти в межах 5 метрів (Малюнок 6), що дозволяє впевнено літати на малих висотах і з огибанием рельєфу.
Рис. 6
Малюнок 7 показує, як САУ виводить БЛА з критичного крену в 65є, в результаті впливу пориву бічного вітру при здійсненні маневру. Тільки справжня ІНС у складі бортового комплексу керування в стані забезпечити динамічний вимір кутів орієнтації БЛА, не «втратити горизонт». Тому в процесі випробувань і експлуатації наших БЛА жоден літак не був втрачений при польоті під управлінням автопілота.
Ще однією важливою функцією БЛА є управління відеокамерою. У польоті стабілізація камери переднього огляду забезпечується відпрацюванням коливань БЛА по крену за сигналами автопілота і даними Мінс. Таким чином картинка відео зображення виявляється стабільною, незважаючи на коливання ЛА по крену. У завданнях аерофотозйомки (наприклад, при складанні аерофотоплана передбачуваного району проведення робіт) точна інформація про кути орієнтації, координатах і висоті БЛА абсолютно необхідна для корекції аерофотознімків, автоматизації зшивки кадрів.
Рис. 7
Безпілотний комплекс аерофотозйомки також розробляється ТОВ «ТеКнол». Для цього проводиться доробка цифрового фотоапарата і його включення в контур управління автопілотом. Перші польоти намічено провести весною 2007 року. Крім згаданих систем БЛА швидкого розгортання Бортовий Комплекс Навігації та Управління БЛА експлуатується СКБ «Топаз» (БЛА «Ворон»), встановлюється на новому БЛА розробленому компанією «Транзас» (багатоцільовий комплекс БЛА «Дозор»), проходить випробування на міні БЛА компанії Global Teknik (Туреччина). Ведуться переговори з іншими російськими й закордонними клієнтами. Викладена вище інформація і, головне, результати льотних випробувань, з усією очевидністю свідчать, що без повноцінного бортового комплексу управління, оснащеного цією інерціальній системою, неможлива побудова сучасних комерційних систем БЛА, які можуть вирішувати завдання безпечно, оперативно, в будь-яких погодних умовах, з мінімальними витратами з боку експлуатаційних служб. Такі комплекси серійно випускаються компанією «ТеКнол».
Висновки
Розглянутий складу бортового обладнання БЛА дозволяє забезпечити вирішення широкого кола завдань з моніторингу місцевості і важкодоступних для людини районів в інтересах народного господарства. Застосування до складу бортового обладнання телевізійних камер дозволяє в умовах гарної метеовідімості і освітленості забезпечити високу роздільну здатність і детальний моніторинг підстилаючої поверхні в режимі реального часу. Застосування ЦФА дозволяє використовувати БЛА для проведення аерофотозйомки у заданому районі з подальшою детальної дешифруванням. Використання ТПВ апаратури дозволяє забезпечити цілодобовість застосування БЛА, хоча і з меншим дозволом, ніж при використанні телевізійних камер. Найбільш доцільне застосування комплексних систем, наприклад ТВ-ТПВ, з формуванням синтезованого зображення. Проте такі системи поки ще досить дорогі. Наявність на борту РЛС дозволяє отримувати інформацію з меншим дозволом, ніж ТБ і ТПВ, але цілодобово і при несприятливих метеоумовах. Застосування змінних модулів пристроїв отримання видової інформації, дозволяє знизити вартість і реконфигурирован складу бортового обладнання для вирішення поставленого завдання в конкретних умовах застосування. Можливість забезпечення стійкого зв'язку є однією з найважливіших характеристик, що визначають експлуатаційні можливості комплексу управління БЛА. Запропонована система управління просторовим положенням остронаправленной АС в комплексах управління БЛА забезпечує оптимізацію процесу входження в зв'язок і можливість відновлення зв'язку в разі її втрати. Система застосовна для використання на БЛА, а також на пунктах управління наземного та повітряного базування.
Використана література
1. http://www.airwar.ru/bpla.html
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/UAV
3. http://www.ispl.ru/Sistemy_upravleniya-BLA.html
4. http://teknol.ru/products/aviation/uav/
5. Орлов Б.В., Мазінг Г.Ю., Рейдель А.Л., Степанов М.Н., Топчеев Ю.І. - Основи проектування ракетно-прямоточних двигунів для безпілотних літальних апаратів.
Управління: порти RS-232 (2) - прийом / передача даних; порти RS-422 (5) - зв'язок із зовнішніми пристроями; канали ШІМ (12) - керуючі пристрої; програмовані ППМ (255) - поворотні пункти маршруту. Робочі діапазони: крен - ± 180 °; тангажу - ± 90 °; курс (шляховий кут) - 0 ... 360; прискорення - ± 10 g; кутова швидкість - ± 150 ° / сек
Система управління просторовим положенням гостронаправлених антенних систем в комплексах БЛА
Сам по собі безпілотний літальний апарат (БЛА) - лише частина складного комплексу, одна з основних завдань якого - оперативне доведення отриманих відомостей до оперативного персоналу пункту управління (ПУ). Можливість забезпечення стійкого зв'язку є однією з найважливіших характеристик, що визначають експлуатаційні можливості комплексу управління БЛА і забезпечує доведення відомостей, отриманих БЛА, у режимі «реального часу» до оперативного персоналу ПУ. Для забезпечення зв'язку на значні відстані і підвищення перешкодозахищеності за рахунок просторової селекції в комплексах управління БЛА широко використовуються гостронаправлених антенні системи (АС) як на ПУ, так і на БЛА. Функціональна схема системи управління просторовим положенням остронаправленной АС, що забезпечує оптимізацію процесу входження у зв'язок в комплексах управління БЛА, наведена на рис. 1.
Система управління остронаправленной АС (див. рис. 1) включає в себе:
• Власне гостронаправлених АС, радіотехнічні параметри якої вибираються, виходячи з вимог забезпечення необхідної дальності зв'язку по радіолінії.
• Сервопрівод АС, що забезпечує просторову орієнтацію ДН АС в напрямку очікуваного появи випромінювання об'єкта зв'язку.
• Систему автоматичного супроводу за напрямом (АСН), що забезпечує стійке автосупроводження об'єкта зв'язку в зоні впевненого захоплення пеленгаційної характеристики системи АСН.
• радіоприймальних пристроїв, що забезпечує формування сигналу «Зв'язок», що свідчить про прийом інформації з заданою якістю.
• Процесор управління антенною системою, що забезпечує аналіз поточного стану системи управління АС, формування сигналів управління сервоприводом для забезпечення просторової орієнтації АС відповідно до польотного завдання і алгоритмом просторового сканування, аналіз наявності зв'язку, аналіз можливості переведення сервоприводу АС з режиму «Зовнішнє управління» в режим «Автосупровід», формування сигналу перекладу сервоприводу АС в режим «Зовнішнє управління».
Рис. 1. Функціональна схема системи управління просторовим положенням остронаправленной АС в комплексах управління БЛА
Основне завдання, що виконується системою управління просторовим положенням остронаправленной АС, - забезпечити стійке входження в зв'язок з об'єктом, заданим польотного завдання.
Ця задача розпадається на ряд підзадач:
• Забезпечення просторової орієнтації ДН АС в напрямку очікуваного появи випромінювання об'єкта зв'язку і її просторової стабілізації для випадку розташування АС на борту літального апарату.
• Розширення зони стійкого захоплення випромінювання об'єкта зв'язку за рахунок застосування дискретного алгоритму просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою.
• Перехід в режим стійкого автосупроводу об'єкта зв'язку системою АСН при виявленні об'єкта зв'язку.
• Забезпечення можливості повторного входження у зв'язок у разі її зриву. Для дискретного алгоритму просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою можна виділити наступні особливості:
• Сканування ДН АС здійснюється дискретно в часі і в просторі. • Просторові переміщення ДН АС при скануванні здійснюються таким чином, щоб не залишалося просторових зон, які не перекриваються зоною впевненого захоплення система АСН за весь цикл сканування (див. рис.2).
Рис.2. Приклад організації дискретного просторового сканування в азимутальній і угломестной площинах
Для кожного конкретного просторового положення, що визначається алгоритмом сканування, можна виділити дві фази: «Автосупровід» і «Зовнішнє управління».
• У фазі «Автосупровід» система АСН здійснює оцінку можливості прийому випромінювання об'єкта зв'язку для обраного просторового положення РСН.
У разі позитивного результату оцінки: Просторове сканування припиняється. Система АСН продовжує здійснювати автосупроводження випромінювання об'єкта зв'язку за своїм внутрішнім алгоритму. На вхід сервоприводу АС надходять сигнали просторової орієнтації АС за даними поточного пеленга об'єкта зв'язку від системи АСН X АСН (t). У разі негативного результату оцінки: Здійснюється просторове переміщення РСН АС в наступне просторове положення, яке визначається алгоритмом сканування.
• У фазі «Зовнішнє управління» на виході процесора управління антенною системою формуються сигнали управління сервоприводом АС. Компоненти сигналу керування сервоприводом забезпечують:
X 0 - первісну просторову орієнтацію ДН АС в напрямку на об'єкт зв'язку; ΔX ЛА (t)-парирування просторових еволюцій літального апарату; X Алг (t) - розширення зони стійкого захоплення випромінювання об'єкта зв'язку системи АСН відповідно до дискретним алгоритмом просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою.
У разі зриву зв'язку, починаючи з моменту часу Т СВ = 0 (пропажа сигналу «ЗВ'ЯЗОК»), сигнал X АСН (Т СВ = 0) запам'ятовується в пристрої «Обчислення та зберігання», і використовується в подальшому процесором управління АС як значення очікуваного пеленга об'єкта зв'язку. Процес входження в зв'язок повторюється як описано вище. У режимі «Зовнішнє управління» сигнал управління сервоприводом остронаправленной АС по каналах «курс», «тангажу» і «крен» може бути записаний
У режимі «Автосупровід» сигнал управління сервоприводом остронаправленной АС може бути записаний
Конкретний вид сигналів управління визначається конструктивними особливостями сервоприводу антеною системи.
Інерційна система БЛА
Ключовим моментом у згаданій ланцюжку є «вимір стану системи». Тобто координат місця розташування, швидкості, висоти, вертикальної швидкості, кутів орієнтації, а також кутових швидкостей і прискорень. У бортовому комплексі навігації та управління, розробленому і виробленим ТОВ «ТеКнол», функцію вимірювання стану системи виконує малогабаритна інерціальна інтегрована система (Мінс). Маючи у своєму складі тріади інерціальних датчиків мікромеханічних гіроскопів і акселерометоров), а також барометричний висотомір і тривісний магнітометр, і комплексіруя дані цих датчиків з даними приймача GPS, система виробляє повне навігаційне рішення за координатами і кутах орієнтації. Мінс розробки ТеКнола - це повна Інерційна система, в якій реалізований алгоритм безплатформного ІНС, інтегрованої з приймачем системи супутникової навігації. Саме в цій системі міститься «секрет» роботи всього комплексу управління БЛА. По суті, одночасно працюють три навігаційних системи в одному обчислювачі за одними і тими ж даними. Ми їх називаємо «платформами». Кожна з платформ реалізує свої принципи управління, маючи свої «правильні» частоти (низькі або високі). Майстер-фільтр вибирає оптимальне рішення з будь-якою з трьох платформ залежно від характеру руху. Цим забезпечується стійкість системи не тільки в прямолінійному русі, але і при віражах, некоординовані розворотах, бічному поривчастому вітрі. Система ніколи не втрачає обрій, ніж забезпечуються правильні реакції автопілота на зовнішні збурення і адекватний розподіл впливів між органами управління БЛА.
Бортовий комплекс управління БЛА
До складу Бортового Комплексу Навігації та Управління БЛА входять три складових елементи (Малюнок 1).
1. Інтегрована Навігаційна Система;
2. Приймач супутникової навігаційної системи
3. Модуль автопілота.__
Модуль автопілота здійснює вироблення керуючих команд у вигляді ШІМ (широтно-імпульсно-модульованих) сигналів, по законам управління, закладеним у його обчислювач. Крім управління БЛА, автопілот програмується на управління бортовою апаратурою:
• стабілізація відеокамери,
• синхронізований за часом і координатами спрацьовування затвора
фотоапарата,
• випуск парашута,
• скидання вантажу або відбір проб в заданій точці
та інші функції. У пам'ять автопілота може бути занесено до 255 поворотних пунктів маршруту. Кожна точка характеризується координатами, висотою проходження і швидкістю польоту.
У польоті автопілот також забезпечує видачу в канал передачі телеметричної інформації для стеження за польотом БЛА (Малюнок 2).
А що ж тоді являє собою «квазіавтопілот»? Багато фірм зараз декларують, що забезпечують своїх систем автоматичний політ за допомогою «найменшого в світі автопілота».
Найбільш показовий приклад такого рішення - продукція канадської фірми "Micropilot". Для формування сигналів управління тут використовують «сирі» дані - сигнали від гіроскопів і акселерометрів. Таке рішення за визначенням не є робастних (стійким до зовнішніх впливів і чутливим до умов польоту) і в тій чи іншій мірі працездатно тільки при польоті в стабільній атмосфері.
Будь-яке істотне зовнішнє обурення (порив вітру, висхідний потік або повітряна яма) може призвести до втрати орієнтації літального апарату і аварією. Тому всі, хто коли-небудь стикався з подібною продукцією, рано чи пізно розуміли обмеженість таких автопілотів, які ніяк не можуть бути використані в комерційних серійних системах БЛА.
Більш відповідальні розробники розуміючи, що необхідно даний навігаційне рішення, намагаються реалізувати навігаційний алгоритм із застосуванням відомих підходів Калмановського фільтрації.
На жаль, і тут не все так просто. Калмановського фільтрація - це всього лише допоміжний математичний апарат, а не рішення задачі. Тому неможливо створити робастної стійку систему, просто переносячи на MEMS інтегровані системи стандартний математичний апарат. Потрібна тонка і точне налаштування на конкретний додаток. У даному випадку - для маневреного об'єкта крилатої схеми. У нашій системі реалізований більш ніж 15-ти річний досвід розробки інерціальних систем і алгоритмів комплексування ІНС і GPS. До слова сказати, у світі лише кілька країн мають ноу-хау інерціальних систем. Це
Росія, США, Німеччина, Франція і Великобританія. За цим ноу-хау стоять наукові, конструкторські та технологічні школи, і щонайменше
наївно думати, що таку систему можна розробити і виготовити «на коліні» в інститутській лабораторії або в ангарі аеродрому. Дилетантський підхід тут, як і у всіх інших випадках, може призвести в кінцевому рахунку фінансовими втратами і втратою часу. Чому такий важливий автоматичний політ стосовно завдань, що вирішуються підприємствами паливно-енергетичного комплексу? Зрозуміло, що сам повітряний моніторинг не має альтернативи. Контроль за станом трубопроводів та інших об'єктів, завдання охорони, моніторингу та відеоспостереження найкраще вирішуються із застосуванням літальних апаратів. А от зниження витрат, забезпечення регулярності польотів, автоматизація збору й обробки інформації - тут, абсолютно справедливо приділяється увага безпілотної техніці, що й доводить високий інтерес фахівців до проходить виставці і форуму. Однак, як ми бачили на виставці, безпілотні системи також можуть являти собою складні і дорогі комплекси, які потребують підтримки, обслуговування, створення наземної інфраструктури та служб експлуатації. Найбільшою мірою це відноситься до комплексам, спочатку створеним для вирішення військових завдань, а тепер спішно адаптованим до господарських застосуванням. Окремо зупинимося на питаннях експлуатації. Управління БЛА - завдання для добре підготовленого професіонала. В армії США операторами БЛА стають діючі пілоти ВПС після річної підготовки та тренінгу. У багатьох аспектах це складніше, ніж пілотування літака, і, як відомо, більшість аварій безпілотних ЛА викликані помилками пілота-оператора. Автоматичні системи БЛА, оснащені повноцінною системою автоматичного управління вимагають мінімальної підготовки наземного персоналу, при цьому вирішують завдання на великій відстані від місця базування, поза контактом з наземною станцією, в будь-яких погодних умовах. Вони прості в експлуатації, мобільні, швидко розгортаються і не вимагають наземної інфраструктури. Можна стверджувати, що високі характеристики систем БЛА, оснащених повноцінної САУ, знижують експлуатаційні витрати і вимоги до персоналу.
Системи автоматичних БЛА
Які ж практичні результати застосування бортового комплексу з цієї інерціальній системою? Компанія «ТеКнол» розробила і пропонує замовникам системи автоматичних БЛА швидкого розгортання для вирішення завдань моніторингу і повітряного спостереження. Ці системи представлені на нашому стенді на виставці.
Автопілот в складі бортового комплексу навігації та управління забезпечує
• Автоматичний політ по заданому маршруту;
• Автоматичний зліт і захід на посадку;
• Підтримка заданої висоти і швидкості польоту;
• Стабілізацію кутів орієнтації;
• Програмне управління бортовими системами.
Оперативний БЛА.
Система багатоцільового БЛА розробляється компанією «Транзас» і оснащується комплексом навігації та управління «ТеКнола».
Оскільки управління БЛА малого розміру представляє найбільш важке завдання, наведемо приклади роботи бортового комплексу навігації та управління для оперативного міні-БЛА злітною вагою 3,5 кг.
При проведенні аерозйомки місцевості БЛА здійснює політ по лініях з інтервалом 50-70 метрів. Автопілот забезпечує проходження по маршруту з відхиленням, що не перевищує 10-15 метрів при швидкості вітру 7 м / с (Малюнок 5).
Зрозуміло, що найдосвідченіший пілот-оператор не в змозі забезпечити таку точність управління.
Рис. 5: Маршрут і траєкторія польоту міні БЛА при зйомці місцевості
Підтримка заданої висоти польоту також забезпечується Мінс, яка виробляє комплексне рішення за даними GPS, барометричного висотоміра і інерціальних датчиків. При автоматичному польоті по маршруту бортовий комплекс забезпечує точність підтримки висоти в межах 5 метрів (Малюнок 6), що дозволяє впевнено літати на малих висотах і з огибанием рельєфу.
Рис. 6
Малюнок 7 показує, як САУ виводить БЛА з критичного крену в 65є, в результаті впливу пориву бічного вітру при здійсненні маневру. Тільки справжня ІНС у складі бортового комплексу керування в стані забезпечити динамічний вимір кутів орієнтації БЛА, не «втратити горизонт». Тому в процесі випробувань і експлуатації наших БЛА жоден літак не був втрачений при польоті під управлінням автопілота.
Ще однією важливою функцією БЛА є управління відеокамерою. У польоті стабілізація камери переднього огляду забезпечується відпрацюванням коливань БЛА по крену за сигналами автопілота і даними Мінс. Таким чином картинка відео зображення виявляється стабільною, незважаючи на коливання ЛА по крену. У завданнях аерофотозйомки (наприклад, при складанні аерофотоплана передбачуваного району проведення робіт) точна інформація про кути орієнтації, координатах і висоті БЛА абсолютно необхідна для корекції аерофотознімків, автоматизації зшивки кадрів.
Рис. 7
Безпілотний комплекс аерофотозйомки також розробляється ТОВ «ТеКнол». Для цього проводиться доробка цифрового фотоапарата і його включення в контур управління автопілотом. Перші польоти намічено провести весною 2007 року. Крім згаданих систем БЛА швидкого розгортання Бортовий Комплекс Навігації та Управління БЛА експлуатується СКБ «Топаз» (БЛА «Ворон»), встановлюється на новому БЛА розробленому компанією «Транзас» (багатоцільовий комплекс БЛА «Дозор»), проходить випробування на міні БЛА компанії Global Teknik (Туреччина). Ведуться переговори з іншими російськими й закордонними клієнтами. Викладена вище інформація і, головне, результати льотних випробувань, з усією очевидністю свідчать, що без повноцінного бортового комплексу управління, оснащеного цією інерціальній системою, неможлива побудова сучасних комерційних систем БЛА, які можуть вирішувати завдання безпечно, оперативно, в будь-яких погодних умовах, з мінімальними витратами з боку експлуатаційних служб. Такі комплекси серійно випускаються компанією «ТеКнол».
Висновки
Розглянутий складу бортового обладнання БЛА дозволяє забезпечити вирішення широкого кола завдань з моніторингу місцевості і важкодоступних для людини районів в інтересах народного господарства. Застосування до складу бортового обладнання телевізійних камер дозволяє в умовах гарної метеовідімості і освітленості забезпечити високу роздільну здатність і детальний моніторинг підстилаючої поверхні в режимі реального часу. Застосування ЦФА дозволяє використовувати БЛА для проведення аерофотозйомки у заданому районі з подальшою детальної дешифруванням. Використання ТПВ апаратури дозволяє забезпечити цілодобовість застосування БЛА, хоча і з меншим дозволом, ніж при використанні телевізійних камер. Найбільш доцільне застосування комплексних систем, наприклад ТВ-ТПВ, з формуванням синтезованого зображення. Проте такі системи поки ще досить дорогі. Наявність на борту РЛС дозволяє отримувати інформацію з меншим дозволом, ніж ТБ і ТПВ, але цілодобово і при несприятливих метеоумовах. Застосування змінних модулів пристроїв отримання видової інформації, дозволяє знизити вартість і реконфигурирован складу бортового обладнання для вирішення поставленого завдання в конкретних умовах застосування. Можливість забезпечення стійкого зв'язку є однією з найважливіших характеристик, що визначають експлуатаційні можливості комплексу управління БЛА. Запропонована система управління просторовим положенням остронаправленной АС в комплексах управління БЛА забезпечує оптимізацію процесу входження в зв'язок і можливість відновлення зв'язку в разі її втрати. Система застосовна для використання на БЛА, а також на пунктах управління наземного та повітряного базування.
Використана література
1. http://www.airwar.ru/bpla.html
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/UAV
3. http://www.ispl.ru/Sistemy_upravleniya-BLA.html
4. http://teknol.ru/products/aviation/uav/
5. Орлов Б.В., Мазінг Г.Ю., Рейдель А.Л., Степанов М.Н., Топчеев Ю.І. - Основи проектування ракетно-прямоточних двигунів для безпілотних літальних апаратів.