В П Харченко, Д Е Прусов - Аерокосмічні системи моніторингу та керування - страница 1

Страницы:
1  2 

АЕРОКОСМІЧНІ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ТА КЕРУВАННЯ

УДК 629.7

1В.П. Харченко, д.т.н., проф. 2Д.Е. Прусов, к.т.н., с.н.с., доц.

ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ СУЧАСНОЇ КЛАСИФІКАЦІЇ БЕЗПІЛОТНИХ АВІАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Національний авіаційний університет 1E-mail: kharch@nau.edu.ua 2Е-таі1: prusov@nau.edu.ua

Розглянуто основні поняття і терміни, сучасні класифікаційні ознаки, принципи формування безпілотних авіаційних систем та комплексів, особливості застосування різних категорій безпілот­них літальних апаратів.

Ключові слова: безпілотні авіаційні системи, класифікаційні ознаки.

Постановка проблеми

Особливістю сьогодення є надзвичайно швид­кий та інтенсивний процес розвитку робототех-нічних систем цивільного призначення, пов'яза­ний із формуванням уявлення про місце, роль і завдання, що вирішуються безпілотною авіацій­ною технікою в цивільній сфері.

Мета роботи - провести класифікацію без­пілотних авіаційних систем (БАС) на основі нау­ково-технічного потенціалу, особливостей їх застосування та перспектив розвитку інформа­ційних і літакобудівних технологій.

Аналіз публікацій

Поняття і терміни в контексті даних антропо­генних (штучних, створених людиною для вико­нання певних функцій), ергатичних (людино-ма-шинних), технічних, авіаційних робототехнічних систем розглянуто в електронних ресурсах [1-3].

У науковій літературі існує велика кількість близьких за змістом визначень поняття системи.

Під системою розуміється цілісний матеріаль­ний об'єкт або їх сукупність, що є закономірно зумовленою сукупністю функціонально взаємо­діючих елементів.

Елементи системи - відносно відокремлені частини системи (структурні елементи), які не будучи системами одного типу, при безпосеред­ній взаємодії між собою породжують систему.

Підсистема - сукупність взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів, що реалізовують певну групу функцій системи.

Багаторівневі (ієрархічні) системи називають­ся складними системами.

Система не завжди може бути ергатичною.

© Харченко В.П., Прусов Д.Е., 2012

Поняття комплексу близьке до поняття систе­ми. Комплексом є набір (сукупність) структур­них і функціональних елементів (підсистем) сис­теми, призначених для функціонування системи.

Наприклад, під поняттям безпілотного авіа­ційного комплексу (БАК) розуміють сукупність:

- повітряних суден (ПС);

- засобів керування ПС;

- засобів наземного контролю технічного стану ПС;

- інженерно-авіаційного і аеродромно-тех­нічного забезпечення застосування ПС.

Структурні елементи (підсистеми), що пере­творюють комплекс у систему формуванням зв'язків різного типу між структурними елемен­тами системи, а також пілот і технічні фахівці в комплекс не входять.

У поняття комплексу з безпілотним ПС (БПС) входять:

- транспортна техніка;

- технічні пристрої, що формують канали зв'язку і передачі інформації;

- пристрої обробки інформації. Статичними системами прийнято називати

системи з незмінною в часі і просторі структур­но-функціональною організацією.

Динамічними системами називаються систе­ми, що дозволяють залежно від умов і цільової функції змінювати в заданому напрямі свою структурно-функціональну організацію. Як пра­вило, динамічними системами можуть бути тіль­ки складні системи. Наприклад, сукупність сис­тем на основі БПС різного призначення: система спостереження та/або система детальної розвідки та/або ударна система.

У будь-який час цільова функція такої дина­мічної системи може бути змінена, а відповідно і її структурно-функціональна організація.

Формування динамічної системи можливе за умови сумісності каналів передачі та обробки інформації, зв'язку та керування.

Під ключовим елементом структури слід ро­зуміти такий елемент, який функціональним призначенням і поведінкою об'єднує комплекс підсистем або структурних елементів в єдину цілісну систему. Наприклад, до поняття пілото­ваного літака окрім пілота входять:

- планер;

- силова установка;

- бортові засоби;

- підсистеми;

- комплекси.

Пілотований літак повинен бути віднесений до комплексу бортових пристроїв і систем.

Без пілота і технічних фахівців сам пілотова­ний літак ніякого практичного завдання викона­ти ніколи не зможе.

Пілот як ключовий елемент структури сприй­має і обробляє інформацію від зовнішнього сере­довища і елементів кабінного інтер'єру, планує і реалізує через органи керування функціональну поведінку БПС, тобто об'єднує своїм інтелектом і фізіологією комплекс бортових пристроїв і під­систем в систему і, виконуючи свої функції, реа­лізує цільове призначення бойового літака.

Технічні фахівці є важливими, але не визна­чальними структурними елементами і лише за­безпечують реалізацію функціонального призна­чення літака та підтримують його технічний стан відповідно до вимог виконуваних функцій.

Пілотований літак із пілотом і фахівцями є ергатичною (людино-машинною) системою.

Функціональне призначення є найважливі­шою характеристикою структурного елементу, визначає його місце в системі та може бути сформульоване у вигляді однієї основної функції для елементу або деякою безліччю функцій для підсистеми.

Під функціональною поведінкою структурного елементу системи слід розуміти сукупність дій, зумовлених функціональними мірами свободи і внутрішніми алгоритмами (якщо вони є), що дозволяють формувати програму дій для вико­нання функцій і їх практичної реалізації.

Система зі штучним інтелектом, чи інтелек­туальна система керування, володіє цілеспрямо­ваною свободою вибору керуючих рішень.

Незмінним атрибутом таких систем є наявність баз знань і баз даних. Сучасні інтелектуальні сис­теми керування мають одну особливість: їх бази знань і даних мають строго цільову орієнтацію.

Сфера застосування таких систем обмежена цільовою функцією об'єкта, яким вона керує. Наприклад, головка самонаведення ракети, що керує поведінкою ракети, яка летить до цілі.

Ураховуючи рівень розвитку елементної бази обчислювальної техніки і тенденції її розвитку, виділено групу інтелектуальних систем керуван­ня більш високого рівня досконалості - системи керування з елементами штучного розуму. Такі системи мають багатопрофільні бази знань і даних, здійснюють самостійне безперервне й активне їх поповнення, формують керуючі рі­шення в умовах невизначеності на основі побу­дови аналогій із суміжних галузей знань.

Системи керування з елементами штучного розуму є складними системами з великою кіль­кістю ієрархічних рівнів. Наприклад, дистанцій­но керовані авіаційні системи (ДКАС) побудова­ні на принципах відкритої архітектури і мають шість ієрархічних рівнів [4]. На кожному з рівнів є своя сукупність інтелектуальних систем керу­вання підсистемами БПС і суміщеними базами знань, базами даних:

- власного стану;

- планування поведінки;

- стану навколишнього середовища (контури узгодження).

Кожен із рівнів відрізняється діапазоном від­повідальності керуючих рішень.

Класифікаційні ознаки

Під БАС слід розуміти сукупність комплексу з БПС з наземним пунктом дистанційного керу­вання та людьми, що ним керують і забезпечу­ють його функціонування, та каналами керуван­ня і зв'язку зі споживачами результатів функціо­нування БАС.

При визначенні перспектив розвитку БАС як класу слід використовувати основну класифіка­ційну ознаку - рівень функціональної самостій­ності БПС, що входить у БАС.

Інтегральний рівень функціональної самос­тійності БПС враховує не тільки рівень технічної досконалості, але й рівень розвитку інформацій-но-логістичних систем. Залежно від рівня функ­ціональної самостійності БПС можна побудувати типовий ряд БАС, що принципово відрізняються один від одного.

Рівень функціональної самостійності ПС при виконанні завдання визначається ступенем втру­чання (участі) оператора в керування функціо­нальною поведінкою БПС.

Ступінь втручання оператора залежить від рівня «інтелектуальності» БПС. Зазвичай у БАС застосовується «розподілений» інтелект, тобто одна частина функцій керування функціональ­ною поведінкою віддана системі автоматичного керування (САК) ПС, а друга частина реалізуєть­ся оператором на пункті керування (наземному, надводному, мобільному, стаціонарному). У зв'язку з цим можна виділити чотири групи БАС за типом уживаного БПС:

- БАС з дистанційно пілотованим ПС (ДППС);

- БАС з безпілотним автоматичним ПС

(БПАПС);

- БАС з дистанційно керованим ПС (ДКПС);

- БАСзДКАС.

Дистанційно пілотоване ПС - БПС, безперер­вне керування всіма функціями і пристроями якого здійснюється з рухомого або нерухомого пункту керування. У БАС з ДППС всі функції керування функціональною поведінкою ПС від­дані операторові на землі.

Безпілотний автоматичний ПС реалізовує своє функціональне призначення в автоматично­му режимі відповідно до закладених в його сис­тему керування алгоритмом і програмами функ­ціонування. У БАС з БПАПС всі функції керу­вання функціональною поведінкою ПС визначені програмним комплексом і базою даних, викорис­товуваних у САК.

Дистанційно кероване ПС поєднує переваги ДППС і БПАПС. Оператор такого БПС впливає безпосередньо на результат функціонування ПС, не відволікаючись на виконання локальних зав­дань безпосереднього пілотування ПС.

Дистанційно керовані БПС реалізовують своє функціональне призначення автономно при епі­зодичному втручанні оператора керування для перенацілення або перепрограмування системи керування ПС. Штучний інтелект у ДКПС забез­печує не тільки політ, але й процес ухвалення самостійного рішення.

Безпілотна ДКАС автономно реалізовує своє функціональне призначення шляхом формування і виконання внутрішніх динамічних алгоритмів функціональної поведінки при епізодичному втручанні оператора бойового керування для пе-ренацілення або постановки нового завдання.

Дистанційно керована авіаційна система є ці­льовою технічною системою нижнього струк­турно-організаційного рівня БАС. У БАС з ДКАС функції оператора зводяться до керування завданнями груп ДКАС і контролю їх поведінки.

Дистанційно керована авіаційна система -перспективне ДКПС, властивості і можливості якого з найбільшим наближенням відповідають пілотованому ПС аналогічного призначення. Та­ке ПС керується з пункту керування в дискретно-імпульсному режимі і виконує завдання відпо­відно до власних алгоритмів функціонування, інформаційних і силових дій навколишнього середовища та команд зовнішнього керування.

Межі між варіантами БАС за конкретними ознаками рідко бувають чітко вираженими і є умовними. Розробник під час удосконалювання окремого БПС поступово додає до нього функції, які мають ознаки сусіднього класу. Наприклад, перші зразки крилатих ракет були класичними БПАПС, але після того, як елементна база в про­цесі науково-технічного прогресу почала набува­ти прийнятних питомих габаритів, з'явилася можливість додати додаткову функцію: опера­тивне перенацілення, що призвело до переходу

цих БПС до ДКПС.

Решта ознак вибрана відповідно до прийнятих підходів до класифікації ПС з урахуванням спе­цифіки розрахунку і проектування БПС:

зниження маси при виконанні однакового завдання порівняно з пілотованим ПС;

— зміни вимог до міцності та надійності;

збільшення або зниження рівня експлуата­ційних перевантажень.

Залежно від функціонального призначення, організаційних і технічних параметрів БАС та БПС класифікують:

1) за масштабами застосування БАС:

- тактичні;

- оперативно-тактичні;

- оперативні; стратегічні;

2) за злітною масою БПС:

- БАС з мікро-БПС (то<\,0 кг);

- БАСзмалимБПС(1,0<гао<100,0кг);

- БАС з легкими БПС (100,0<гао<500,0 кг); БАС з середніми БПС

(500,0<гао<5000,0 кг);

БАС з важкими БПС (5000,0<яіо<15 000,0 кг);

- БАС з надважкими БПС (то>15 000,0 кг);

3) за кратністю застосування БПС з можли­вістю повторного застосування:

- БАС з одноразовим БПС; БАС з багаторазовим БПС;

4) за тривалістю польоту:

БАС з БПС малої тривалості польоту (^п<1год);

БАС з БПС середньої тривалості по­льоту (1< ґп < 6 год);

БАС з БПС великої тривалості польоту (tn > 6 год);

5) за способом старту БПС:

БАС з БПС безаеродромного старту (ка­тапультного типу як різновид), які запускаються з руки;

- БАС з БПС аеродромного старту - зі злітної смуги (площадки);

6) за способом посадки БПС:

БАС з посадкою БПС «по-літаковому» (з пробігом);

БАС з точковою посадкою БПС (спус­кання на парашуті, уловлювання різноманітними пристосуваннями);

7) за функціональним призначенням БАС:

- наглядові;

- розвідувальні;

- транспортні; багатоцільові;

8) за габаритно-ваговими характеристиками БПС:

- мініатюрні;

- над малі;

- малі;

- середні; великі;

9) за дальністю дії для БПС багаторазового застосування:

- ближньої дії з радіусом дії менше 80 км та тривалістю польоту від 1 до 6 год;

- малої дальності з радіусом дії 300-700 км та часом баражування від 2 до 8 год;

- середньої   дальності   з   радіусом дії 300-700 км та часом баражування від 2 до 8 год;

великої дальності з необмеженим радіу­сом дії та тривалістю понад 24 год;

10) за глибиною дії комплексу:

- ближня тактична глибина до 10 км;

- тактична глибина до 50 км;

- оперативна глибина більше 50 км;

- стратегічна глибина більше 100 км;

11) за дальністю дії:

— надмалої дальності;

— малої дальності;

— середньої дальності; великої дальності.

12) за висотою застосування:

— надмаловисотні;

— маловисотні;

— середньовисотні; застосовувані на великих висотах;

13) за способом створення піднімальної сили за аеродинамічною схемою:

— літаки; вертольоти;

14) за типом силової установки:

— поршневий двигун;

— газотурбінний двигун; електродвигун;

15) за способом базування БАС:

— аеродромні;

— мобільні; стаціонарні;

16) за способом керування польотом:

радіокеровані (керовані оператором по лініях (каналах) керування);

автоматичні (керовані автоматично по програмі);

комбіновані (з комбінованою системою керування);

17) за видом застосовування розвідки:

фото- і відеорозвідки у видимій частині

спектра;

— радіолокаційної розвідки;

— тепловізійної розвідки;

— радіо- і радіотехнічної розвідки; радіаційної, хімічної та біологічної роз­відки;

розвідки погоди (метеорозвідки);

18) за часом одержання зібраної інформації:

— у масштабі реального часу;

— періодично під час сеансів зв'язку; після посадки;

19) за видом базування пускової установки:

— наземні;

— повітряні; морські;

20) за способом транспортування:

— легкі для транспортування людиною; важкі для транспортування транспорт­ними засобами;

21) за способом розміщення комплексу на автомобілях:

— контейнерне розміщення;

розміщення на спеціальних автомобілях (бронетехніці).

Міжнародну класифікацію БАК наведено в табл. 1, БПС за тактико-технічними характерис­тиками - в табл. 2.

Принципи формування безпілотних авіаційних комплексів

У зв'язку з забезпеченням функціонування БАС необхідно БПС розглядати з урахуванням багатьох проблем формування БАК:

— архітектоніки комплексу;

— повного складу БАК;

— способів керування БПС;

процедур застосування комплексу в цілому.

Безпілотне ПС є інтерактивним і для своєї ро­боти вимагає наземної станції керування для вза­ємодії з оператором.

Архітектоніка безпілотного комплексу зумов­лює поєднання основних і допоміжних елементів та їх зв'язок між собою і зовнішнім середовищем для реалізації свого призначення, дає основу для аналізу існуючих комплексів БПС і синтезу но­вих комплексів.

Безпілотний авіаційний комплекс включає ПС та засоби:

— транспортування, запуску і посадки ПС; радіозв'язку між наземними засобами і ПС

у польоті;

автоматизації для підготовки польотних завдань;

- зберігання і подання інформації; контролю справності.

Поєднання засобів комплексу між собою та їх взаємодія, а також взаємодія комплексу з середо­вищем застосування є предметом аналізу і синте­зу комплексу БПС з погляду архітектоніки.

Основоположні рішення з архітектоніки по­винні бути прийняті на самому початку з ураху­ванням потреби та технічних можливостей. Ці рішення взаємозв'язані і в майбутньому можуть бути переглянуті й уточнені, а також можуть спричинити архітектонічні вирішення нижчих рівнів, наприклад, про спосіб радіозв'язку з БПС (прямий радіозв'язок, ретрансляція сигналів че­рез інше ПС або супутник).

Оскільки безпілотний комплекс є значною мі­рою радіотехнічною системою, то до архітекто­ніки відносяться:

рішення, що визначають розподіл потріб­ного енергетичного потенціалу радіоліній ком­плексу за послідовністю «потужність передавача / посилення передавальної антени / посилення приймальної антени / чутливість приймача»;

розподіл обов'язків серед членів бойової команди;

розподіл основних функцій між програма­ми і апаратурою, між технікою і людиною, між «бортом» і «землею»;

— поєднання різних елементів комплексу; взаємодія елементів комплексу між собою і

середовищем при роботі в реальних умовах.

Таблиця 1

Класифікація БАК НАТО

Клас БПС

Категорія

Масштаб застосування

Висота застосування, м

Нормальний радіус дії, км

Приклади (платформи)

Клас III (>600 кг)

UCAV / LET

Стратегічний / національний

До 20 000

Необмежений

Reaper

 

HALE

Стратегічний / національний

До 20 000

Необмежений

Global Hawk

 

MALE

Оперативний / театр бойових дій

До 15 000

Необмежений

Heron

Клас II (150-600 кг)

Тактичні

Тактичне з'єднання (бригада)

До 10 000

200

Hermes 450

Клас I (<150 кг)

Малі (>15 кг)

Тактична частина (батальйон, полк)

До 2000

50

Scan Eagle

 

Міні (<15 кг)

Тактичний підрозділ (рота, взвод, відділення)

До 1000

25

Skylark

 

Мікро

(<66 Дж)

Тактичний підрозділ

(взвод, відділення, індивідуально)

До 100

5

Black Widow

Таблиця 2

Міжнародна класифікація БПС

Категорія БПС

Позначення

Дальність,

Висота польоту,

Ресурс,

Вага,

 

 

км

м

год

кг

Тактичні БПС

Нано

 

< 1

100

< 1

< 0,025

 

Nano

 

 

 

 

Мікро

 

< 10

250

1

< 5

 

Micro

 

 

 

 

Міні

Mini

< 10

150-300

< 2

< 20 (150)

Ближня дальність

CR

10-30

3000

2-4

25-150

 

Close Range

 

 

 

 

Мала дальність

SR

30-70

3000

3-6

50-250

 

Small Range

 

 

 

 

Середня дальність

MR

70-200

5000

6-10

150-500

 

Middle Range

 

 

 

 

Середня дальність,

MRE

> 500

8000

10-18

500-1500

тривалий політ

Middle Range

 

 

 

 

 

Endurance

 

 

 

 

Велика дальність на малій

LADP

> 250

9000

0,5-1

250-2500

висоті

Low-Altitude

 

 

 

 

 

Deep Penetration

 

 

 

 

Тривалий політ на малій

LALE

> 500

3000

> 24

15-25

висоті

Low-Altitude

 

 

 

 

 

Long-Endurance

 

 

 

 

Тривалий середньовисотний

MALE

> 500

8000

24-48

1000-1500

політ

Medium-Altitude

 

 

 

 

 

Long-Endurance

 

 

 

 

Стратегічні БПС

Дальність польоту на

HALE

> 2000

20 000

24-48

2500-5000

великій висоті

High Altitude

 

 

 

 

 

Long Endurance

 

 

 

 

БПС спеціального використання

Безпілотні бойові

UCAV

-1500

12 000

- 2

>1000

 

Unmanned

 

 

 

 

 

Combat Air

 

 

 

 

 

Vehicle

 

 

 

 

Ударні

LET

300

4000

3-4

TBD

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В П Харченко, Д Е Прусов - Аерокосмічні системи моніторингу та керування

В П Харченко, Д Е Прусов - Аналіз застосування безпілотних авіаційних систем у цивільній сфері