Методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении

Важнейшей задачей воздушного транспорта является обеспечение транспортной доступности в отдаленных регионах страны, что необходимо для их экономического и социального развития. Эта задача возложена на региональную коммерческую гражданскую авиацию, которая должна обслуживать наиболее социально значимые сегменты спроса — местные авиаперевозки, авиационные работы в интересах отраслей экономики, а также сферу некоммерческого использования гражданской авиации — авиации общего назначения (АОН), включающую в себя, в том числе, любительскую и деловую авиацию.

Сегодня приоритетной задачей региональной авиации является обеспечение сообщения между центрами регионов и отдаленными населенными пунктами в регионах Сибири и Крайнего Севера, где самолет является основным, часто единственным средством обеспечения транспортной доступности. В обеспечении материальными ресурсами и создании экспортного сырьевого потенциала России эти регионы имеют первостепенное значение.

Совершенно очевидно, что интерес, который в последнее время проявляют организации ТЭК к использованию БПЛА, закономерен [6 — 12]. Имея в своей структуре сотни тысяч километров трубопроводов, которые довольно слабо охраняются, а зачастую и вообще не охраняются, предприятия ТЭК напрямую заинтересованы в использовании беспилотных систем. Простая экономическая выгода подталкивает предприятия ТЭК к принятию решений по использованию БПЛА, и этот процесс, находящийся в данный момент в начальной стадии, будет неуклонно развиваться.

С помощью беспилотных систем можно контролировать как техническое состояние объектов, так и их безопасность, функционирование, притом, что контролируемые объекты могут находиться на большом удалении (протяженные объекты).

Однако применение БПЛА в гражданском секторе в настоящее время находится в ожидании решения некоторых технических и организационных проблем, без чего невозможно стабильное использование БПЛА.

Основные проблемы связаны с использованием воздушного пространства, выделением частотного диапазона для управления БПЛА и передачей информации с борта на землю и наоборот.

Также следует отметить, что основной вопрос в сфере применения БПЛА — это получение беспилотными аппаратами статуса воздушного судна (ВС).

БПЛА, не являясь ВС, не подлежат регистрации в реестре ВС и не имеют Свидетельства о регистрации и годности к использованию. Им невозможно, да и не нужно получать разрешение на использование воздушного пространства. А это уже чревато самыми серьезными последствиями. Аппарат, способный летать на высоте до 4 км со скоростью до 250 км/час, массой около 100 кг, может подняться в воздух без разрешения на использование воздушного пространства, ведь по классификации — это радиоуправляемая модель. В этой ситуации скорее нужны не запретительные меры, а организация разрешительных мероприятий.

В рамках действующего законодательства есть вид авиации, в котором «беспилотники» могут существовать на законном основании. Этоэкспериментальная авиация. По этому пути идут и другие страны (США, Европа). В этой отрасли есть многолетний опыт использования летательных аппаратов, а также возможность контроля за техническим состоянием БПЛА и многое другое. Получив статус ВС в рамках экспериментальной авиации, БПЛА смогут использовать воздушное пространство по существующим правилам. Конечно, все БПЛА должны быть застрахованы от ущерба третьим лицам.

БПЛА должны иметь на борту транспондеры, отвечающие всем требованиям ИКАО в этой области. Те БПЛА, которые не способны нести аппаратуру, могут летать только в специально отведенных районах по предварительным заявкам с большим сроком уведомления. 6.

Цель всех организаций, участвующих в регламентации использования БПЛА в воздушном пространстве России, состоит в том, чтобы достигнуть уровня безопасности полетов любого класса БПЛА, эквивалентного уровню безопасности полетов самолетов. Для этой цели необходимо разработать технические требования к БПЛА, которые бы способствовали выполнению этой задачи.

БПЛА в последние годы активно применялись военными, поэтому наработанный ими опыт эксплуатации БПЛА в различных условиях отбрасывать ни в коем случае нельзя. Наоборот, нужно привлечь военных к выработке технических требований к БПЛА с учетом того, что цели и задачи применения беспилотных аппаратов в гражданском секторе некоторым образом отличаются от задач, решаемых военными.

Таким образом, можно отметить тот факт, что использование БПЛА в воздушном пространстве России не только возможно, но и необходимо. Полеты БПЛА возможны при условии выполнения требований (выработанных) для получения Свидетельств о летной годности и регистрации. Это можно сделать в рамках экспериментальной авиации.

Вместо этого на практике существует следующая ситуация. Большинство образцов беспилотных летательных аппаратов создаются в инициативном порядке, с использованием доступных комплектующих. Говорить об унификации и стандартизации не приходится. Как следствие, в России эксплуатируются десятки (если не сотни) разнотипных аппаратов, наиболее распространенные семейства которых насчитывают по несколько десятков машин. Говорить же о создании полноценной системы, которая бы включала в себя не только летательные аппараты, но и мощную наземную инфраструктуру, могут только единичные разработчики и производители.

Отсутствие законодательной и нормативной базы в области беспилотной авиации создает разработчикам и потенциальным эксплуатантам серьезные проблемы. Даже в оборонной области проектные работы регламентируются общетехническими требованиями 20-летней давности, а для проектирования коммерческих БПЛА никакой нормативной базы не существует вовсе. В 7 настоящее время в правительстве идет работа над программой возрождения малой авиации, в которую составной частью войдет и беспилотная авиация. В условиях, когда рынок имеет большой потенциал для роста, необходимо консолидировать усилия разработчиков, заказчиков и всех ветвей власти.

В настоящее время контролю уровня безопасности полетов придается исключительное значение. Это вызвано ростом объемов воздушных перевозок и тяжестью последствия воздушных катастроф. Для повышения эффективности функционирования системы управления воздушным движением (УВД) требуется оптимизировать существующие функции контроля за соблюдаемым уровнем безопасности полетов. Для этого, используя современные методы обработки информации, нужно иметь возможность оперативно контролировать текущий уровень безопасности полетов.

При вычислении оперативной оценки уровня безопасности полетов должна использоваться наиболее полная информация о движении ВС (в том числе и БПЛА) в текущий момент времени и структуре контролируемого воздушного пространства. При этом выделяют несколько задач: оценка уровня безопасности при полетах на трассах, в зоне подхода, при взлете и посадке ВС, руление в зоне аэродрома. Задача разработки практически приемлемых схем и маневров, разрешающих потенциально конфликтную ситуацию пары воздушных судов, является крайне важной для обеспечения безопасности воздушного движения.

Следует отметить, что наблюдение за воздушными судами, осуществляющими полет в национальном воздушном пространстве, является составной частью существующей системы управления воздушным движением.

России. В настоящее время технология наблюдения основывается на использовании первичного и вторичного радиолокаторов. Хотя эта технология и сохранит свое значение для УВД в обозримом будущем, в ИКАО рассматриваются новые, обеспечивающие наблюдение, технологии, применение которых за рубежом уже частично началось, несмотря на отсутствие единого взгляда на концепцию и ее конкретную техническую реализацию. В России разработана эксплуатационная концепция одной из таких 8 новых технологий, использование которой, как видится, могло бы обеспечить наиболее рациональный для наших условий путь перехода к будущей системе С№/АТМ. Данная технология основывается на сочетании надежных и точных бортовых навигационных систем и надежной системы связи по линии передачи данных (ЛПД), которая транслирует полученную на борту информацию о координатах воздушного судна всем заинтересованным в ее использовании потребителям. Упомянутая технология получила название радиовещательного автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В).

Применение АЗН-В не будет ограничиваться традиционными функциями, ассоциирующимися с наземными радиолокационными системами, а обеспечит новые возможности, реализуемые как на борту воздушного судна, так и на автоматизированных рабочих местах диспетчеров УВД. АЗН-В объединяет, фактически, две технологии: на основе ЛПД «воздух-земля» и ЛПД «воздух-воздух». Эксплуатационная концепция представляет сценарии АЗН-В, которые будут реализовываться на эволюционной основе при принятиирешения о развертывании радиовещательного АЗН в России. Эксплуатационная концепция не акцентирует внимание на выборе или определении технических деталей реализации АЗН-В, а нацелена на обеспечение будущих эксплуатационных потребностей, а также плавного экономически выгодного перехода от существующей системы наблюдения радиолокационного типа к перспективной, на базе АЗН-В.

Такимобразом, требования нормативно-правовых документов, проводимые исследования в области управления БПЛА при организации воздушного движения показывают, что в настоящее время существуют противоречия между:

• возросшим объемом задач для БПЛА, решаемых в интересах народного хозяйства России, и отсутствием нормативно-законодательной базы для их использования;

• уровнем потенциальных возможностей БПЛА дальнего радиуса действия и запретом их использования в общем воздушном пространстве;

• требованием поддержания паритета с уровнем развития БПЛА в индустриально и технологически развитых государствах и современным состоянием разработки, унификации, стандартизации «беспилотников» в гражданской авиации России;

• отсутствием в настоящее время трудов, носящих системный характер, направленных на создание системы правил использования БПЛА в общем воздушном пространстве, и насущной потребностью в этом;

• ростом производительности и надежности применяемых технических средств (в частности систем АЗН) и отсутствием тенденции их использования при управлении БПЛА.

Изложенные выше частные противоречия позволяют сформулировать главное противоречие, которое заключается в том, что существующий уровень развития методов управления БПЛА на основе вещательного автоматического зависимого наблюдения позволяет обеспечить координацию полетов БПЛА, но при этом отсутствует нормативно-правовая база для их использования в общем воздушном пространстве.

Сформулированные частные противоречия и их обобщение позволяют уяснить, что без их устранения невозможно дальнейшее полноценное использование БПЛА, а, следовательно, и развитие гражданской авиации России.

Сложившееся положение в области управления БПЛА, изложенные выше противоречия и предопределили актуальность темы диссертации, направленной на разработку методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.

Объектом исследования в работе является управление воздушным движением беспилотных летательных аппаратов.

Предметом исследований — методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве путем использования новых информационных технологий сбора, обработки и передачи навигационных данных и команд управления.

Цель диссертационной работы: повышение безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве на основе применения новых методов их управления с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследований:

1 — Проведен анализ технических характеристик беспилотных летательных аппаратов и областей их применения для решения задач народного хозяйства страны.

2 — Систематизированы требования к методам управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве, обеспечивающим безопасность полетов всех участников воздушного движения.

3 — Разработаны алгоритмы разрешения ПКС между БПЛА и ВС в общем воздушном пространстве.

4 — Исследована проблема информационной безопасности АЗН как проблема целостности и конфиденциальности передачи данных.

5 — Разработан алгоритм контроля достоверности передаваемых данных.

6 — Разработана структура и определены функции наземного и бортового оборудования для управления БПЛА.

Методы исследования. Расчетно-аналитическое описание исследований основано на общей теории управления и общей теории динамических систем, на применении теории вероятностей, общей теории статистики, теории надежности, теории конечных автоматов и алгоритмов, теории оптимальных решений, методов математического анализа и программирования.

Основными исходными данными для проведения исследований являются: соответствующие положения нормативно-правовых документовпротоколы государственных испытаний сети вещательного автоматического зависимого наблюдениярезультаты выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Достоверность результатов исследований подтверждается результатами экспериментальных проверок предлагаемых способов и методов управления БПЛА.

В качестве информационной базы исследований использовались рекомендации документов ИКАО и Евроконтроля, нормативные документы МТ РФ и ФАВТ.

Структура диссертации и краткая аннотация’каждого раздела.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 93-х наименований, 3-х приложений.

Выводы по четвертому разделу.

1. Предложенный комплекс (модель) контроля и управления БПЛА обеспечивает решение совокупности задач, связанных с управлением БПЛА, обработкой координатной информации, отображением принятой информации, отображением маршрутов планируемого и реального полёта БПЛА на фоне карты местности выполнения полёта, формированием команд управления в ручном режиме полёта, оперативной регистрацией всего объёма принимаемых от каждого БПЛА данных и переданных команд управления.

2. Данный комплекс управления поддерживает работу всех штатных режимов контроля и управления БПЛА. В нем реализованы новейшие разработки аппаратуры управления, применены новейшие информационные технологии.

3. Результаты испытаний данного комплекса управления показали, что его использование с применением АЗН-В возможно для управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве.

4. Разработанный комплекс контроля и управления БПЛА способен — выполнять свои задачи в группе (строю) с другими летальными аппаратами в общем воздушном пространстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В последнее время в нашей стране вопросам создания и управления движением БПЛА уделяется все большее внимание.

Но следует отметить, что, несмотря на привлекательность, кажущиеся, доступность и простоту тематики БПЛА, она в реальности является не только весьма сложной технической задачей, но и серьезнейшей идеологической проблемой, поскольку затрагивает вопросы идеологии организации экономической политики государства. Нормативно-правовая база вопросов применения БПЛА в общем воздушном пространстве в настоящее время нуждается в доработке.

Разработке методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении и посвящена данная диссертационная работа, в ходе которой достигнута заявленная цель исследований, поставленные задачи решены.

Проведенные в диссертационной работе исследования привелик созданию методологии, обеспечивающей безопасное управление полетами беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве. При этом получены следующие основные результаты:

1 Выполнен анализ перспективной технологии наблюдения АЗН-В за воздушными судами, которая обеспечивает диспетчеру УВД, наряду с радиолокационным наблюдением, и спутниковое поле наблюдения, гарантирующее высокую точность определения координат независимо от направления и расстояния до наблюдаемого объекта: до 15 м или до 2 м при использовании локальной контрольно корректирующей станции.

2 Разработана и экспериментально подтверждена технология управления полетом БПЛА в общем воздушном пространстве, отличающаяся тем, что команды управления передаются (в условиях прямой радиовидимости) на борт БПЛА с наземного пункта управления оператором по ЛПД АЗН-В.

3 Установлено, что уровень целостности АЗН-В можно оценить.

139 показателем вероятности потери или искажения данных о положении БПЛА. Предложен метод оценки искажения данных о положении БПЛА, заключающийся в определении времени задержек при прохождении сигнала от источника излучения и измерения расстояния до БПЛА, вычисляемого по координатам. Если разность вычисленных координат превышает по модулю допустимую величину, то принимают решение об искажении данных. За счет этого повышается достоверность данных передаваемых по ЛПД.

4 Предложены методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА. Маневры БПЛА оптимизированы с учетом особенностей распространения информации АЗН-В, таких как точность, периодичность, заблаговременность.

5 Предложен способ управления БПЛА и устройство для его реализации. Способ управления защищен авторским свидетельством (патент на изобретение № 2 390 815). Устройство реализует методы управления, в которых осуществляется сравнение расчетных прогнозируемых значений параметров полета БПЛА с текущими значениями координат, полученными от приемника спутниковой навигационной системы, и при их неравенстве вырабатываются соответствующие сигналы по трем каналам управления вращательного движения и по каналу продольного движения.

6 Определены принципы построения программно-аппаратного комплекса контроля и управления БПЛА и разработаны требования к человеко-машинному интерфейсу.

7 Научно обоснован минимальный перечень команд управления для обеспечения безопасности воздушного движения БПЛА в общем воздушном пространстве, который обеспечивает его управление при навигационном управлении.

8 Результаты испытаний подтверждают возможность их использования для управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве.

9 АЗН-В позволяет эксплуатировать БПЛА в общем воздушном пространстве, так как интегрируется в автоматизированную систему УВД и обеспечивает за счет широковещательной передачи координат движения БПЛА.

140 информацию по узкополосному каналу ЛПД для всех участников движения, что обеспечивает безопасность воздушного движения.

Дальнейшие исследования целесообразно проводить в области совершенствования работы сети АЗН-В для управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве.