автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении

На правах рукописи

ТОКАРЕВ ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ЗАВИСИМОМ НАБЛЮДЕНИИ

05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 НЮН 2011

Санкт-Петербург 2011

4848548

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете гражданской авиации» на кафедре «Информатика».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Пятко Сергей Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Олянюк Петр Васильевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Кумков Сергей Иванович

Ведущая организация: ФГУП Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (ГосНИИ АС), г, Москва.

Защита состоится «15» июня 2011 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д 223.012.01 Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации по адресу: 196210, г. Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38, Университет ГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для дистанционного наблюдения и контроля окружающей среды и объектов позволит снизить себестоимость услуг на порядок по сравнению с традиционными космическими или авиационными системами. Вместе с тем, широкое применение БПЛА в гражданском секторе экономики невозможно без решения ряда научных и технических задач, нормативно-законодательных и организационных проблем.

В настоящее время вопросу организации полетов БПЛА в общем воздушном пространстве уделяется большое внимание. В Евроконтроле, РАА, ЯТСА, ЕШОСАЕ идут дискуссии, на базе каких принципов и технических решений должны организовываться такие полеты, но общепризнано, что согласованного решения пока еще нет.

Существуют альтернативные концепции интеграции БПЛА в общее воздушное пространство. Первая концепция предполагает распространить на БПЛА все существующие нормы УВД, включая, например, оснащение системами опознавания и предупреждения столкновений. Вторая концепция предлагает организовывать полеты БПЛА в специально отведенных зонах.

По ряду причин эксперты отдают предпочтение первой концепции. Следуя этой концепции, процесс эксплуатации БПЛА в общем воздушном пространстве должен отвечать следующим основным принципам:

• должна обеспечиваться безопасность полетов пользователей общего воздушного пространства и безопасность населения на уровне, отвечающем требованиям безопасности полетов воздушных судов (ВС);

• не должны предъявляться требования о дооборудовании ВС дополнительными системами в целях совместимости с БПЛА;

• БПЛА должны иметь систему, позволяющую надежно отслеживать и избегать потенциально конфликтных ситуаций с ВС;

• производство полетов БПЛА следует осуществлять по тем же правилам, что и для ВС.

Рассматривая аспект обеспечения безопасности полетов, следует отметить, что система управления БПЛА должна строиться с учетом существующих методов УВД с сохранением безопасности всех участников движения. При этом в плане организации воздушного движения обслуживание БПЛА должно быть прозрачно для диспетчеров служб УВД и других пользователей воздушного пространства и не должно оказывать неблагоприятных воздействий на ОрВД.

В настоящее время перспективным методом наблюдения за воздушными судами является радиовещательное автоматическое зависимое наблюдение (АЗН-В), при котором ВС автоматически, по линии передачи данных (ЛПД), передают в центр управления воздушным движением точную и достоверную информацию о местоположении и параметрах полета, полученную от бортовых пилотажно-навигационных систем, а также передают информацию другим участникам воздушного движения. В качестве основного инструмента определения навигационных параметров воздушного судна (скорость, высота, курс, координаты ВС) используется спутниковая система глобального позиционирования. В центрах УВД передаваемые с борта ВС данные обрабатываются и отображаются на рабочем месте диспетчера так же, как и радиолокационная информация. Перекрывающиеся поля двух систем наблюдения: радиолокационной и АЗН-В, - обеспечивают диспетчеру единое поле наблюдения.

Таким образом, БПЛА, оборудованные ЛПД АЗН-В, могут быть наблюдаемы в общем воздушном пространстве. Вместе с тем, отсутствие методологии управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве приводит к определенным противоречиям между потребностями практического использования БПЛА в гражданском секторе экономики и недостаточной теоретической проработкой объектно-предметной области.

Наличие дискретной навигационной информации, получаемой по ЛПД АЗН от спутниковой системы глобального позиционирования с периодом в 1 секунду, при существующих особенностях летно-технических характеристик БПЛА, требует разработки методов формирования программных траекторий движения БПЛА, эксплуатируемых в общем воздушном пространстве.

В связи с этим, разработка методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной

информации при автоматическом зависимом наблюдении представляет актуальную задачу, обладающую всеми свойствами и характеристиками научно-технической проблемы.

При исследовании этих вопросов автор использовал работы Н. Н. Красонского, Э. Я. Фалькова, С. Г. Пятко, В. М. Кейна, С. И. Кумкова, П. В. Олянюка, Б. И. Кузьмина, А. В. Липина.

Для диссертационного исследования представляют интерес следующие вопросы:

Применение АЗН-В для наблюдения и управления полетами БПЛА;

Обеспечение безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве за счет:

• точности определения координат движения как БПЛА, так и других ВС;

• получения достоверной информации о движении БПЛА в общем воздушном пространстве;

• формирования программных траекторий движения БПЛА;

Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций (ПКС), при которых прогнозируемые расчётные значения расстояний между ВС будут меньше, чем установленные критерии (нормы) продольного и вертикального эшелонирования;

Обеспечение свойства целостности АЗН-В - достоверность и конфиденциальность предаваемых данных.

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, теории конечных автоматов и алгоритмов, теории оптимальных решений, методов математического анализа и программирования.

В ходе исследований использовались рекомендации документов ИКАО и Евроконтроля, нормативные документы Министерства транспорта Российской Федерации и Федерального агентства воздушного транспорта.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методология наблюдения и управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве.

2. Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА и других ВС.

3. Алгоритмы, обеспечивающие функцию контроля достоверности передаваемых данных о траектории движении БПЛА при использовании АЗН-В.

Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

1. Разработана методология наблюдения и управления движением БПЛА на принципах вещательного автоматического зависимого наблюдения, позволяющая использовать БПЛА не в специально отведенных для них зонах полетов, а в общем воздушном пространстве.

2. Разработан метод управления беспилотным летающим аппаратом, отличающийся тем, что в пункте управления по данным о текущих координатах и параметрах движения ВС формируется отображение воздушной обстановки для всех участников воздушного движения, рассчитываются прогнозируемые траектории их полета, вырабатываются и транслируются в общий радиоканал соответствующие команды управления движением БПЛА.

3. Разработан алгоритм локализации источников ложных сообщений, который обеспечивает достоверность приема информации при использовании АЗН.

4. Разработаны алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА и других ВС, отличающиеся тем, что автоматически определяются критерии их сближения при нарушении интервалов безопасного эшелонирования, причем при обнаружении прогноза опасного сближения вырабатываются команды маневра уклонения БПЛА.

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

Практическая ценность научных результатов заключается в том, что на основе предложенных подходов разработан способ управления беспилотным летающим аппаратом и устройство для его реализации, обеспечивающие как управление полетом, так и передачу команд управления для выполнения программы полета.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и отраслевых научно-практических конференциях и семинарах по проблемам безопасности полетов в общем воздушном пространстве: 1. Европейское и Североатлантическое бюро ИКАО. Европейская группа аэронавигационного планирования. Париж ЕАМРО/49, ноябрь 2007г.; 2. Европейское и Североатлантическое бюро ИКАО. Европейская группа аэронавигационного планирования. Париж ЕАНРС/50, ноябрь 2008г.; 3. Форум деловой авиации, МАКС, Москва, август 2009г.; 4. Глобальный форум по

организации ВД по вопросам гражданско-военного сотрудничества, ИКАО, октябрь 2009 г.; 5. Международный форум и выставка «Беспилотные многоцелевые комплексы - 2009», Москва, январь 2009г.; 6. Стратегия внедрения автоматического зависимого наблюдения в России. ГосНИИ АН, Москва, октябрь 2009 г.; 7. Проблемы внедрения систем АЗН при организации воздушного движения в РФ. Аэронавигационный совет (коллегия) Федеральной аэронавигационной службы. Москва, октябрь 2009г.; 8. Европейское и Североатлантическое бюро ИКАО. Европейская группа аэронавигационного планирования. Париж ЕА№0/51, ноябрь 2009г.; 9. Правительственная комиссия по транспорту и связи. Рассмотрение ФП ИВП. Москва, ноябрь 2009г.; 10. Концепции и технологии организации воздушного движения. Гос НИИАН, Москва (г. Жуковский), август 2009г.; 11. Форум «Технологии в машиностроении -2010». Москва (г. Жуковский), транспортно-выставочный комплекс «Россия» ТВМ-2010, июнь-июль 2010г.; 12. Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященных памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. Санкт-Петербург. Университет ГА, 2006, 2007,2008,2009,2010 г.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПб ГУГА и были использованы при разработке системы радиоуправления и передачи телеметрической информации воздушной мишени «Дань». Имеются Акты внедрения.

Публикации. По материалам диссертационных исследований автором самостоятельно, так и совместно с другими авторами опубликованы 14 печатных работ, в том числе 4 печатные работы в научных журналах. Материалы выполненных исследований опубликованы в ведомственных научно-технических изданиях.

При непосредственном участии автора был изобретен «Способ управления беспилотным летательным аппаратом и устройство для его реализации» (патент на изобретение № 2390815).

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований и поставлены основные задачи, решение которых позволит достичь конечной цели, а также указаны научные результаты и их практическая значимость для организации полетов БПЛА в общем воздушном пространстве.

Проведенные автором исследования показывают, что в настоящее время не существует общепринятой методологии наблюдения и управления БПЛА, которая учитывала бы особенности их эксплуатации в общем воздушном пространстве. С точки зрения ОрВД управлять БПЛА следует так же, как любыми иными воздушными судами. В принципе, авиадиспетчера не должно интересовать, какое именно судно он наблюдает - БПЛА или пилотируемый аппарат.

Исходя из этого, в диссертационной работе автором поставлена задача исследования процессов наблюдения, управления и связи БПЛА в ОрВД с использованием АЗН.

Основным недостатком существующей системы классификации БПЛА является то, что она не учитывает характеристики наземной инфраструктуры: пункта управления БПЛА, транспортировки и предполетной подготовки, стартовых и посадочных площадок, а также наличие сети наземных станций и линий их наземной связи.

Следует подчеркнуть, что как для ВС, так и для БПЛА важна такая характеристика - полезная нагрузка. Проведенный в работе анализ летно-технических характеристик БПЛА показывает, что полезная нагрузка изменяется в широких пределах: от 150 грамм до 300 кг. При этом наибольший коэффициент удельной нагрузки соответствует массе БПЛА 450-650 кг. Дальнейшее увеличением взлетной массы БПЛА (за счет массы топлива) при достаточно стабильной бортовой нагрузке приводит к уменьшению коэффициента удельной нагрузки.

Очевидно, что не все БПЛА из-за ограничений по полезной нагрузке, дальности и высоте полета имеют возможность использовать вышеуказанную типовую аппаратуру для выполнения своих функциональных задач.

Поэтому для проведения исследований автором выбран класс БПЛА, взлетная масса которых 500-600 кг, полезная нагрузка от 800 г, крейсерская скорость 130-150 км/час, с дальностью полета равной прямой радиовидимости.

Проанализировав методы управления БПЛА: пилотажный; навигационный; автоматизированный,- автор отмечает, что автоматический полет является перспективным способом управления БПЛА, поскольку он совершается под управлением автопилота по маршруту, определенному заданной последовательностью поворотных пунктов маршрута (ППМ). Важно также отметить, что в существующих системах управления БПЛА отсутствует функция разрешения ПКС. А ее наличие, как отмечает автор, является непременным условием интегрирования полетов БПЛА в единое воздушное пространство.

При разработке методологии наблюдения и управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве автором используются основные принципы системы АЗН, в частности, в вещательном варианте.

Использование АЗН для наблюдения, управления и связи обеспечивает следующие преимущества:

- распространение области перекрытия полем наблюдения на нижнее воздушное пространство и отдаленные районы с улучшением условий УВД за счет создания новых областей «псевдорадиолокационного» перекрытия;

- надежная идентификация системой УВД целей при их входе в поле наблюдения АЗН-В;

- обеспечение более выгодных средств наблюдения на трассах;

- сокращение потребности в радиолокационных системах за счет постепенного вывода их из эксплуатации и отказа от установки новых позиций;

- улучшение полетного обслуживания;

- поддержка перспективной системы ОрВД в части создания точного и надежного поля наблюдения, расширяющего возможности системы ОрВД по предоставлению пользователям более эффективных траекторий полета, сокращению задержек и увеличению общей пропускной способности системы, в частности, за счет сокращения норм продольного и бокового эшелонирования.

Автором подчеркивается, что рассматривать свойства АЗН-В при разработке методологии необходимо с позиций фундаментальных требований, предъявляемых

ИКАО к системам наблюдения ВС в воздушном пространстве. К числу таких требований относится нормирование основных свойств, а именно, непрерывности и целостности.

На каждом ВС, а также и на БПЛА устанавливаются транслондеры, содержащие приемник спутниковой навигационной системы (СНС - ОЫЗЗ) типа ИЛУвТАК или ГЛОНАСС. Данные о своем местоположении и параметры движения могут быть получены не только от спутниковых, но также и от навигационных систем другого типа (инерциальных, курсодоплеровских и др.).

Сму пшкы (¡N5$

Рис. 1 - Порядок обмена информацией в общем воздушном пространстве с использованием АЗН

Все приемопередатчики работают на одной частоте, поэтому ВС и другие объекты наблюдения, находящиеся в пределах радиовидимости, оказываются связанными одним или несколькими радиоканалами.

Каждое из указанных ВС, прослушивает радиоканал, получает координатную информацию о других ВС, находящихся в зоне радиовидимости и транслирует в радиоканал информацию о своем идентификаторе, собственных координатах, высоте, скорости и направлении движения и дополнительную информацию. Таким образом, осуществляется принцип "все видят всех" (рис. 1).

Приемник СНС обеспечивает каждому транспондеру точную привязку к шкале единого времени (UTS). Шкалу единого времени разделяют на временные отрезки или слоты, определенное количество которых составляют кадры (фреймы) и суперкадры (суперфреймы).

Каждый транспондер прослушивает эфир в пределах кадра и определяет свободные слоты, а именно не занятые другими транспондерами, резервирует их, о чем сообщает в эфир, и транслирует в зарезервированных слотах сообщения о собственных координатах.

Наряду с участниками движения, транспондер устанавливают и на наземной базовой станции (БС), которую могут располагать, к примеру, в центре управления воздушным движением (УВД) или в пункте управления полетом БПЛА. БС может передавать дифференциальные поправки, синхросигналы точного времени, команды о занятии слотов и иную информацию.

Отмечается, что уровень целостности АЗН-В выражается в виде показателей вероятности потери или искажения данных о положении и параметрах движения БПЛА, передаваемых по ЛПД. ,

Для каждой из N станций, передающих сообщения в общий канал, вычисляют псевдодальность по формуле:

pis=cv О)

где Pjs- псевдодальность, вычисленная на i-ой принимающей станции до s-ой передающей;

tjs - задержка сигнала на приемном конце относительно начала соответствующего слота за вычетом систематической составляющей тс;

С - скорость распространения электромагнитных волн.

Временной сдвиг, а именно смещение начала пакета на приемном конце, вызванный естественными причинами, представляет всегда запаздывание. В отличие от этого дезинформатор может сдвигать момент начала передачи, как в сторону запаздывания, так и в сторону опережения. Таким образом, суммарный временной сдвиг может иметь различный знак.

Заранее вычисляют величину Др допустимой погрешности как сумму ошибки измерения и кодирования координат и случайной составляющей задержки в радиоканале, умноженной на скорость света. Для снижения риска псевдоложных тревог из-за передачи станцией устаревшей координатной информацией следует Др увеличивать, но необходимо учитывать, что при этом возрастает вероятность пропуска, то есть необнаружения недостоверности принятого сообщения.

На ¡-ой станции по собственным измеренным координатам х^ и

координатам х*,у*,г5, данные о которых содержаться в принятом от в-ой станции

сообщении, рассчитывают расстояние между ¡-ой и э-ой станциями в земной прямоугольной системе координат:

и вычисляют разность между указанным расстоянием и соответствующей псевдодальностью. Если эта разность превышает по модулю допустимую величину, а именно, если

К-Р15|>ДР. (3)

то принимают решение, что координатная информация, полученная от Б-го источника недостоверна, о чем передается соответствующее сообщение, а в качестве дополнительной информации сообщается рассчитанная величина псевдодальности

Л-

На экране индикатора ¡-ой станции отметку э-ой станции, от которой получена недостоверная информация, помечают специальным символом.

За счет этого повышается достоверность и информативность изображения при искажении сообщений.

Передаваемые координаты должны соответствовать моменту начала слота -временного отрезка, отведенного для данного сообщения.

Источник, специально транслирующий для введения в заблуждение других участников движения данные о виртуальном, а именно несуществующем объекте, может с целью маскировки смещать во времени момент начала передачи указанного ложного сообщения, чтобы псевдодальность соответствовала передаваемым

координатам, и неравенство (3) не выполнялось. Однако это возможно сделать лишь для одной принимающей станции. На других, расположенных в несовпадающих

точках пространства, отстоящих от указанной на расстоянии не менее Лр, несоответствие будет обнаружено, за счет чего будет повышена защищенность системы наблюдения от специально организованных помех и отказов.

Если недостоверность информации зафиксирована не менее чем на четырех принимающих станциях, то вычисляются истинные пространственные координаты источника ложной информации, а в том случае, когда указанное несоответствие фиксируют лишь на трех принимающих станциях, определяются две координаты источника ложных данных.

Для вычисления указанных пространственных координат х5,у3,г5 б-го источника недостоверной информации решают систему из не менее чем т уравнений следующего вида:

^(х8-х1)2+(уя-у1)2+(218-г!)2 =Р;5+Я3, ¡=1,2, ...п, п>т, (4) где 115 = С т5 - радиус сдвига; т3 - неизвестный параметр, имеющий смысл временного сдвига; п - количество станций подвижных и стационарных, обнаруживших недостоверность координатных данных, переданных одной и той же вой станцией в одно и то же время в одном и том же сообщении, причем в это число не входят станции, которым присвоен признак недостоверной; ш - достаточное количество станций.

Параметр т принимает значение ш=4 при наблюдении объектов в трехмерном (ЗЭ) пространстве и т=3 для двумерного (20) пространства, причем станции из достаточной совокупности объектов наблюдения в случае ЗВ - пространства не должны располагаться в одной плоскости, а в случае 2Б - пространства - на одной прямой. При п<т и/или нарушении указанных условий достаточности решение системы уравнений (4) может не существовать и вычислить оценки истинных координат станции, передавшей недостоверные координаты, невозможно. По величине модуля радиуса сдвига можно судить о причине, вызвавшей сомнения в достоверности переданных координатных данных. В случае если модуль радиуса сдвига велик, т.е. |яз|>Др и расстояние между точками с переданными и

вычисленными координатами также велико, то наиболее вероятной причиной является преднамеренное искажение информации с целью ввести в заблуждение одного или нескольких наблюдателей и участников движения.

При решении системы уравнений (4) вследствие указанных ранее погрешностей получают лишь оценки истинных координат станции. Потенциальная точность вычислений возрастает с увеличением количества уравнений. При получении очередного сообщения от станции, обнаружившей недостоверность координатной информации, переданной s-ой станцией к системе (2) добавляют соответствующее n+1-oe уравнение, а систему вновь решают и получают более точную оценку искомых координат, а также радиуса сдвига. Наращивание системы (4) прекращается, если от s-ой станции поступает новое координатное сообщение, а при этом п>ш.

В оборудовании наземной базовой станции, центра УВД и пункта наблюдения за полетом БПЛА вместо навигационной системы включена GPS - станция дифференциальных поправок.

Величина временной задержки в виде двоичного кода поступает в процессор, куда вводятся также и информация, содержащаяся в принятом сообщении.

В работе также предложен алгоритм обработки недостоверных данных о координатах.

Автором особо подчеркивается, что основой концепции использования системы АЗН-В для решения задач интеграции БПЛА в общее воздушное пространство, составляют базовые положения теории наблюдения и управления, развитые в общей математической теории динамических систем.

Динамика управляемого объекта, например БПЛА, рассматриваемой на промежутке времени ft,, t2], задастся системой обыкновенных дифференциальных уравнений с управлением (5), а для линеаризованной - (6).

x = F(x,u,v,i). (5)

dx

— = A(/)x + B(i)u + C(i)v, (6)

dt

где F(-) - n - мерная вектор-функция, x - n - мерный вектор фазовых координат, и - ш - мерный вектор управлений, стесненных ограничениями (7), v - к - мерный

вектор возмущающих воздействий, стесненный ограничениями (8), А, В, С -непрерывные матрицы соответствующих размеров.

u(t)e P(t), (7)

v(t)e Q(t), где (8)

P(.), Q(.) описывают множества ограничений, которым подчинены векторы и(.) и v(.) соответственно.

Начальное условие х° = x(il) и часть функций, описывающих входные воздействия (возмущения v(/) в системе), неизвестны заранее. Для названных величин заданы лишь априорные ограничения - допустимые области их изменения (7), (8). Каждому выбранному программному управлению, функции времени u (t) тогда будет соответствовать уже не одно изолированное движение, а целый ансамбль траекторий, полученных путем объединения решений по всем известным д:0, v.

По условию задачи наблюдения предполагается, что прямое измерение или, как говорят, «наблюдение» всех координат вектора x(t) невозможно, и о названных величинах может поступать лишь косвенная информация. Именно, измерению доступны лишь функции

s = G(x,w,i), (9)

где G(-) - r-мерная вектор-функция, s - r-мерный вектор, w - вектор помех и ошибок измерений;

w(t)e R(t); (10)

R(t) - описывает множество ограничений, которым подчинен вектор w(-). Функцию s(i) также называют наблюдаемым сигналом.

Цель управления состоит в переводе управляемой системы из некоторого начального состояния, соответствующего моменту времени t, в конечное состояние t2 по заданной траектории x(t) (рис. 2). Вследствие воздействия возмущений и помех точная реализация этого движения, как правило, невозможна. Поэтому реальное движение x(t) на интервале [tl,t2] отличается от заданного (программного *(.)). Мера отклонения

1 = Ф(хД/) (11)

выбирается в каждом конкретном случае, ее в теории оптимального управления называют критерием оптимальности.

Х( С, I

Рис. 2 - Пример движения управляемой системы.

Задача оптимального управления/наблюдения может быть сформулирована следующим образом. Для управляемой динамической системы, описываемой уравнением (5) или (6) при заданных ограничениях (7), (8), (10) и способе наблюдения (9), требуется отыскать такое преобразование

и(х,5,1)=и0(-), (12)

которое обеспечивает равенство

10 =гтп„тах„„(1) (13)

Такое управление в теории называют оптимальным. Содержательный смысл такой формулировки заключается в том, что даже при наихудших возможных возмущениях и помехах достигается наибольшая точность выдерживания заданной траектории. В теории динамических систем такая задача называется задачей минимаксного управления/наблюдения.

Искомое преобразование Ц(.) зависит от вида функционала (11), а также ограничений (7), (8), (9). Известно, например, что в случае, когда возмущения и помехи являются случайными функциями с нормальным законом распределения, оптимальные управления являются линейными функциями координат. В общем случае, для формирования управлений используют численные методы решения.

Важным с практической точки зрения случаем является задача управления, в которой цель состоит в попадании в конечный момент времени ^ в область пространства, называемого терминальным множеством. На рис.2 терминальное множество обозначено через М.

Содержательный смысл постановки математических задач управления и наблюдения, применительно к такому объекту как БПЛА, заключается в следующем. Компоненты вектора де включают в себя координаты центра масс БПЛА (х?, у ч,

угловые координаты, а именно угол крена у, тангажа 0 и рысканья у, соответствующие угловые скорости со,, а>у, со. и линейные составляющие скорости V,, Уу, V,, записанные в нормальной земной системе координат. В качестве

компонент вектора управления и могут рассматриваться отклонения органов управления БПЛА, а в качестве возмущений V - воздействия внешней среды. Вектор измерений « состоит, как минимум, из параметров, получаемых от спутникового приемника, а именно, широты ср, долготы X, геометрической (ортометрической) высоты увертикальной скорости У у, путевой скорости V и путевого угла ХР. Прямое и непосредственное управление, а именно, выработка в каждый момент времени I вектора управлений и на основе вектора измерений 5 невозможно, учитывая, что данные передаются по ЛПД дискретно с периодом около 1 секунды. Исходя из этого, следует использовать схему управления, включающую в себя бортовой навигационно-пилотажный комплекс (автопилот), а по ЛПД передавать команды, вырабатываемые на основе доступных измерений вектора 5. На каждом интервале времени команда задает программную траекторию х(1). Таким образом, автором достаточно строго обосновывается возможность и целесообразность применения АЗН для управления БПЛА.

Для практической реализации методологии в диссертационной работе рассматриваются такясе вопросы построения типовой структуры управляющего комплекса для БПЛА. Цель ее построения состоит в повышении эффективности управления БПЛА и уровня безопасности выполнения полетов в воздушном пространстве путем использования новых информационных технологий сбора, обработки и передачи данных.

В диссертационной работе предложен способ построения такой системы управления одним или несколькими БПЛА. БПЛА должен быть оборудован бортовой автоматической системой управления, спутниковой навигационной системой, высокоточными синхронизированными часами, а также бортовым вычислителем и приемо-передающей радиостанцией, с помощью которой осуществляется цифровая радиосвязь с базовой радиостанцией, со стационарным или подвижным пунктом управления, оборудованным автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора. Передача команд управления движением БПЛА, передача данных о координатах и параметрах его движения, а также передача идентификационных номеров и данных о координатах и параметрах движения других подвижных объектов, оборудованных приемо-передающими радиостанциями и находящихся в пределах радиовидимости, производится в один или несколько общих радиоканалов.

Новизна предлагаемого способа заключается в том, что команды управления БПЛА содержат в себе навигационные данные о поворотных пунктах маршрута (с указанием их географической широты и долготы), заданные путевые углы, величину бокового упреждения разворота, ограничения на величину крена при выполнении разворота, а также заданные значения высоты полета, вертикальной скорости и угла наклона траектории.

Комплекс контроля и управления БПЛА включает автоматизированное рабочее место оператора (АРМО). Оно обеспечивает: обработку координатной информации, отображение планируемого и реального маршрута полёта БПЛА на фоне карты, формирование команд управления в ручном режиме полёта, оперативную регистрацию всего объёма принимаемых от каждого БПЛА данных и переданных команд управления.

Источником информации для комплекса управления полетом БПЛА служит наземная станция связи навигации и наблюдения «Пульсар-Н».

На основе заданного оператором маршрута, исходя из доступных для БПЛА маневров текущих и прогнозируемых скоростей, комплекс формирует траекторию движения БПЛА, стараясь максимально выдержать указанный маршрут (как можно большую часть маршрута выдерживать минимальные отклонения от него).

Назначение, порядок работы, структура интерфейса оператора комплекса контроля и управления БПЛА подробно рассмотрен в материалах данной главы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные в диссертационной работе исследования привели к 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 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, заблаговременноеть.

5. Предложен способ управления БПЛА и устройство для его реализации. Способ управления защищен авторским свидетельством (патент на изобретение № 2390815). 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

-V

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Токарев Ю.П. Автоматическое зависимое наблюдение в условиях интенсивного развития беспилотной авиации. Транспорт: наука, техника, управление. ВИНИТИ. 2006, №8, с. 17-20.

2. Токарев Ю.П. Применение линии передачи данных для управления беспилотным летательным аппаратом. - СПб: Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №6 (113)/2010, с. 7-10.

3. Токарев Ю.П., Макеев М.И., Юмаев К.Р. Построение комплекса управления беспилотными летательными аппаратами с использованием стандартных компонент. - СПб: Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №6 (113)/2010, с. 56-59.

4. Патент на изобретение №2390815. Способ управления беспилотным летательным аппаратом и устройство для его реализации. Красов А.И. и др.; заявитель и патентообладатель ООО «Фирма «НИТА» (ГШ), опубл. 13.10.2008.

5. Токарев Ю.П. Применение фильтра Калмана при автоматическом зависимом наблюдении беспилотных летательных аппаратов. // Тезисы докладов XXXVIII научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. 2006. с.8.

6. Токарев Ю.П. // Флуктуационные явления на ОВЧ линии передачи данных режима 4. Тезисы докладов XXXIX научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с. 14.

7. Токарев Ю.П. Особенности применения ОВЧ линии передачи данных режима 4 на беспилотных летательных аппаратах. // Тезисы докладов XXXIX научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с.15.

8. Токарев Ю.П. Анализ автоматического зависимого наблюдения беспилотных летательных аппаратов. // Тезисы докладов XL научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструю-ора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2008. с. 17.

9. Токарев Ю.П. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций при использовании автоматического зависимого наблюдения. Ill Тезисы докладов XLI научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2009. с.32

10. Токарев Ю.П. Применение АЗН-В в задачах обеспечения безопасности движения БПЛА. // Тезисы докладов XLII научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учены, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2010. с.21.

И. Токарев Ю.П., Фальков ЭЛ. Полеты беспилотных летательных систем в гражданском воздушном пространстве в рамках существующих стандартов и методов ИКАО. - UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS STUDY GROUP (UASSG) SECOND MEETING Montréal, 2 to 5 December, 2008.

12. Токарев Ю.П., Громова Е.Г., Фальков ЭЛ., Пятко С.Г. Организация полетов беспилотных летательных систем в общем воздушном пространстве. - М: ВВИА, 20-21 ноября 2008.

13. Токарев Ю.П. Вопросы организации ИВП в РФ. М: МАКС, 19-21 августа

2009.

14. Токарев Ю.П. Беспилотные воздушные системы (иАБ). Потребности и вызовы. Глобальный форум по организации ВД по вопросам гражданско-военного сотрудничества, ИКАО, октябрь 2009.

Подписано к печати 21.02.2011 г. Формат бумаги 60х90'Лб. Тираж 100. Уч.изд.л. 1,5. Усл.печл. 1,5. С5. Заказ 372. Тип. СПбГУ ГА. 196210, С.-Петербург, ул. Пилотов, дом 38.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

1.1. Области использования и задачи, выполняемые БПЛА в интересах рыночной экономики.

1.2. Требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве.

1.3. Классификация беспилотных летательных аппаратов.

1.4. Методы управления БПЛА.

Выводы по первому разделу.

2. МЕТОДОЛОГИЯ НАБЛЮДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

2.1 Техническая реализация принципов автоматического зависимого наблюдения в вещательном режиме.

2.2 Обеспечение целостности при использовании АЗН.

2.3. Проблемы безопасности полетов.

2.4. Теоретическое обоснование использования АЗН.

2.5. Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА.

2.5.1. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в горизонтальной плоскости.

2.5.2. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в вертикальной плоскости.

Выводы по второму разделу.

3. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ ДЛЯ БПЛА

3.1. Разработка состава оборудования системы управления и навигации для БПЛА.

3.2. Основные принципы функционирования системы управления БПЛА

3.3. Применение линии передачи данных АЗН-В режима 4 для управления БПЛА в общем воздушном пространстве.

3.4. Требования по назначению к модулю автопилота при управлении БПЛА.

Выводы по третьему разделу.

4. КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ БПЛА.

4.1. Назначение, функции и состав комплекса.

4.2. Организация контроля и управления БПЛА.

4.3. Назначение, состав и работа бортовой аппаратуры контроля и управления БПЛА.

4.4. Структура интерфейса оператора комплекса контроля и управления БПЛА.

Выводы по четвертому разделу.

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. Это -экспериментальная 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 принятии- решения 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.

Таким- образом, 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 документов; протоколы государственных испытаний сети вещательного автоматического зависимого наблюдения; результаты 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 привели- к 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 № 2390815). 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.

1. Кулик A.C., Гордин А.Г., Нарожный В.В., Бычкова И.В., Таран А.Н. Проблематика разработки перспективных малогабаритных летающих роботов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина, 2005

2. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий /Под ред. М.Н. Красилыцикова, Г.Г. Себрякова. М.: Физматлит, 2003.

3. Вилкова Н. Н., Сухачев А. Б. Россия должна вернуться в ряд ведущих «беспилотных» держав. // Национальная оборона. №10 (19), октябрь 2007, с.48-54.

4. Сухачев А. Б. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и перспективы развития. М.: МНИТИ, 2007, 60 с.

5. Сухачев А. Б., Мелькумова Н. Г., Шапиро Б. Л.,- Ерема С. Л. Исследование технико-экономических характеристик перспективных комплексов беспилотных летательных аппаратов.//Электросвязь,. №5, 2008, | с. 16-20.

6. Беспилотные самолеты вертикального взлета и посадки: Выбор схемы и определение проектных параметров / Н. К. Лисейцев, В. 3. Максимович и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. Н. К. Лисейцева.- Из-во МАИ-ПРИНТ, 2009.- 140с.

7. Трубников Г. В. Опыт развития гражданских беспилотных систем и услуг в России. // Труды Второго Московского Международного Форума «Беспилотные многоцелевые комплексы в интересах ТЭК». М. Экспоцентр, 29-31 января 2008 г.

8. Беспилотные летательные аппараты // AeroBusiness., Сурков A.M., 1998. №1. С. 35 -37

9. Миниатюризация — новое направление развития информационных беспилотных комплексов // ГосНИИАС. Авиационные системы. Научно-техническая информация. 2001/2.

10. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и тенденции развития/ Под ред. Иванова Ю.Л. М.: Варяг, 2004.

11. Развитие, основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно-пилотируемые летательные аппараты)/ Под ред. Голубева И.С., Янкевича Ю.И. М.: Изд-во МАИ, 2006.

12. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации / Бочкарев В. В., Кравцов В. Ф., Крыжановский Г. А. и др.; Под ред. Г. А. Крыжановского.-М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.- 415 с.

13. Бабаскин В. В., Королькова М. А., Олянюк П. В., 'Чепига В. Е. Воздушный транспорт в современном мире / под ред. П. В. Олянюка. С-Пб.: Государственный университет ГА, 2010-ЗЗбс.

14. Фальков Э.Я. Об организации полетов беспилотных летательных аппаратов в гражданском воздушном пространстве// Тезисы докладов 5-международной конференции «Авиация и космонавтика 2006». - М.: МАИ, 2006.

15. Авиационная миссия Москвы: Ставка на малую авиацию и новые технологии. // «Авиапанорама», март-апрель 2008.

16. Авиационная миссия Москвы: Восстановлен воздушный мост для Золотого кольца России. // «Авиапанорама», май-июнь 2008.

17. Авиационная миссия Москвы: Базовый принцип безопасного управления // «Авиапанорама», июль-август 2008.

18. Авиационная миссия Москвы: Авиатакси и не только // «Авиапанорама», сентябрь-октябрь 2008.

19. Беляев В. Война в воздухе. Новая угроза. Авиация и космонавтика вчера, сегодня, завтра. №4, 2004

20. США разрабатывают самолет-убийцу./ Интерфакс-АВН. Известия №51,2005

21. Авиационная электросвязь. Приложение 10 к Международной конвенции ИКАО (t.IV: Системы обзорной радиолокации и предупреждения столкновений). Монреаль, 1995.

22. Tomlin C, Lygeros J., Sastry S. Synthesizing Controllers for Nonlinear Hybrid Systems. Report of the Research under NASA Grant NAG-2-1039. University of California, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences. 1997. 16 pp.

23. ГОСТ 20058-80. Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. М.: Госстандарт. 1980.

24. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Справочник / Савицкий В.И., Василенко В.А. и др. М.: Транспорт,Л 986. 192 с.

25. Патент № US2008033604 "System and Method For Safely Flying Unmanned Aerial Vehicles in Civilian Airspace", опубл., 2008-02-07, http://v3.espacenet.com.

26. Minimum Aviation System Performance Standards For Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B). RTCA/DO-242A. RTCA, Inc. 2002.

27. Автоматизированное управление самолетами и вертолетами / Федоров С.М., Кейн.В.М., Михайлов О.И., Сухих Н.Н. М.: Транспорт, 1992, 266с.

28. Токарев Ю.П. Автоматическое зависимое наблюдение в условиях интенсивного развития беспилотной авиации. Транспорт: наука, техника, управление. ВИНИТИ. 2006, №8, с. 17-20.

29. Токарев Ю.П. Применение линии передачи данных для управлениябеспилотным летательным аппаратом. СПб: Научно-технические ведомости

30. СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №6 (113)/2010, с. 7144

31. Руководство по применению линий передачи данных в цепях обслуживания воздушного движения: Doc/9694 AN/ 995/ - Монреаль, 1999, Юс.

32. Привалов A.A. Метод топологического преобразования стохастических сетей и его использование для оценки эффективности систем связи ВМФ. СПб: BMA, 2000г., 160 с.

33. Привалов A.A., Чемиренко В.П. и др. Модели и методы исследования сетей связи ВМФ. СПб: BMA, 2003 г., 219 с.

34. Красовский H.H. Теория управления движением. М: Наука, 1968,476с.

35. Красовский H.H., Субботин А.И. Позиционные дифференциальные игры. М: Наука, 1974, 456с.

36. Куржанский А.Б. Управление и наблюдение в условиях неопределенности. -М: Наука, 1977, 392с.

37. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Новые информационные технологии в авиации: Учеб. Пособие / P.M. Ахмедов, A.A. Бибутов, A.B. Васильев и др.; Под ред. С.Г. Пятко и А.И. Красова. СПб: Политехника, 2004, 446с.

38. Кейн В.М. Оптимизация систем управления по минимаксному критерию. -М.: Наука, 1985. 248 с.

39. Кумков С.И. Конфликтные ситуации в пространстве, маневр по вертикали. Отчет по НИР "Алгоритмы обнаружения и разрешения конфликтных ситуаций применительно к конкретным районам УВД". ИММ УрО РАН, Екатеринбург, 2002. 47с.

40. Kumkov S. I. Conflict Detection and Resolution in Air Traffic Control // IF AC on-line Journal on Automatic Control in Aerospace, AS-09-004, 2009, 7 pp.

41. Анодина Т.Г., А. А. Кузнецов A.A., Е. Д. Маркович. Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением. М: Транспорт, 1992.

42. Белкин A.M., Н. Ф. Миронов Н.Ф., Ю. И. Рублев Ю.И., Сарайский Ю.Н. М: Воздушная навигация: справочник. Транспорт, 1998.

43. Токарев Ю.П. // Флуктуационные явления на ОВЧ линии передачи данных режима 4. Тезисы докладов XXXIX научной конференции студентов, аспирантов' и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с. 14.

44. Токарев Ю.П. Особенности применения ОВЧ линии передачиданных режима 4 на беспилотных летательных аппаратах. // Тезисы докладов

45. XXXIX научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,146посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с.15.

46. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих Н.Н Автоматизированное управлениедвижением авиационного транспорта. \ Под. Ред. Г.А. Крыжановского,. ¡Транспорт, 1999. 319с.

47. Королев E.H. Технологии работы диспетчеров управления воздушным движением. М: Воздушный транспорт, 2000, 155с.

48. Липин A.B., Олянюк П.В. Бортовые системы предотвращения столкновений воздушных судов. Учебное пособие. СПб.: Академия гражданской авиации, 1999. 54 с.

49. Пятко С.Г. Методы повышения точности прогнозирования траекторий полета самолетов в автоматизированных системах управления воздушным движением. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л, ОЛАГА, 1985, 188 с.

50. Пятко С.Г. Методы прикладной теории наблюдения на основе информационных множеств в автоматизированных системах управления воздушным движением. Дисс. на соискание ученой степени доктора техн. наук. С-Пб, АГА, 2000, 370 с.

51. Токарев Ю.П. Применение АЗН-В в задачах обеспечениябезопасности движения БПЛА. // Тезисы докладов XLII научно-техническойконференции студентов, аспирантов и молодых учены, посвященной памяти147авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2010. с.21.

52. Eduardo D. Sontag, Mathematical Control Theory: Deterministic Finite Dimensional Systems. Second Edition, Springer, New York, 1998.

53. Пацко B.C., Пятко С.Г., Кумков A.A., Федотов A.A. Оценивание движения воздушного судна на основе информационных множеств при не полных замерах координат: Научные доклады. — СПб: Академия гражданской авиации, 1999; ИММ УрО РАН, Екатеринбург, 1999.

54. Пятко С.Г. Скользящая модернизация систем УВД. — СПб, Типография фирмы «НИТА», выпуск 2, 2003.

55. Правила аэронавигационного обслуживания. Организация воздушного движения. Doc 4444 ATM/501. ИКАО. Издание пятнадцатое, 2007

56. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов воздушных судов. Том 1. Правила производства полетов. Doc 8168-OPS/611, Том 1. ИКАО, Издание пятое, 2006

57. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов • воздушных судов. Том 2. Построение схем визуальных полетов. Doc 8168-OPS/611, Том 2. ИКАО, Издание пятое, 2006

58. Руководство по навигации, основанной на характеристиках (PBN). Doc 9618-AN/937, ИКАО, Издание третье, 2008

59. Руководство по планированию воздушного пространства. Основные принципы. ASM.ET1 .ST03.4000.EAPM.01.02. Издание 1. Евроконтроль. 2002

60. Глобальная эксплуатационная концепция ОрВД. Doc 9854-AN/458, • ИКАО, Издание первое, 2005

61. Обслуживание воздушного движения. Диспетчерское обслуживание воздушного движения, полетно-информационное обслуживание, служба аварийного оповещения. Приложение 11 к Конвекции о международной авиации. ИКАО, Издание тринадцатое, 2001

62. Справочник по организации воздушного пространства. ASM.ET1 .ST08.5000.HKB-02-00. Издание 2. Евроконтроль. 2003

63. Методика создания и допуска к эксплуатации маршрутовобслуживания воздушного движения. Москва. Госкорпорация по ОрВД. 2008148

64. Федеральные правила использования воздушного пространства Российской Федерации. Утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 11 марта 2010. №138. М. 2010, 45 с

65. Токарев Ю.П., Фальков Э.Я. Полеты беспилотных летательных систем в гражданском воздушном пространстве в рамках существующих стандартов и методов ИКАО. UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS STUDY GROUP (UASSG) SECOND MEETING Montréal, 2 to 5 December, 2008.

66. Токарев Ю.П., Громова Е.Г., Фальков Э.Я., Пятко С.Г. Организация полетов беспилотных летательных систем в общем воздушном пространстве. -М: ВВИА, 20-21 ноября 2008.

67. Токарев Ю.П. Вопросы организации ИБП в РФ. М: МАКС, 19-21 августа 2009.

68. Токарев Ю.П. Беспилотные воздушные системы (UAS). Потребности и вызовы. Глобальный форум по организации ВД по вопросам гражданско-военного сотрудничества, ИКАО, октябрь 2009.

69. Бортовая аппаратура радиоуправления АЗН-В4Д. Технические условия. НКПГ.464211.001 ТУ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2009, 41 с

70. Бортовая аппаратура радиоуправления «АЗН-В4Д». Руководство по эксплуатации. НКПГ.464211.001 РЭ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 25 с

71. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Руководство по эксплуатации. НКПГ.464511.006 РЭ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 60 с.

72. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Управляющий модуль. Руководство оператора. НКПГ. 10401-01 34. Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 18 с.

73. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Управляющий модуль. Руководство системного программиста. НКПГ. 10401-01 32. Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 11 с.

74. Minimum operational performance specification for VDL mode 4149aircraft transceiver for ADS-B. Version L. ED-108. EUROCAE. 2001, 386 c.

75. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4. Doc 9816-AN/448, ИКАО, Издание первое, 2004

76. Системы адаптивного управления летательными аппаратами. / Новиков А.С. и др. М.: Машиностроение, 1987

77. Бабуров В.И. и др. Совместное использование навигационных полей спутниковых радионавигационных систем и сетей псевдоспутников. — СПб.: Агенство «РДК-Принт», 2005

78. Г. О лее он, Д. Пиани Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.:Невский Диалект, 2001. -557с.

79. Кузьмин Б.И. Авиационная цифровая электросвязь в условиях150реализации «Концепция ИКАО-ИАТА CNS/АТМ» в Российской Федерации. С-Петербург-Н. Новгород: ООО «Агентство» ВиТ-принт», 2007.- 384 с.

80. Патент № US2008033604 "System and Method For Safely Flying Unmanned Aerial Vehicles in Civilian Airspace", опубл. 2008-02-07, http://v3.espacenet.com.

81. Субботин А.И., Ченцов А.Г. Оптимизация гарантии в задачах управления. М.: издательство «Наука», 1981 год, 288 стр.