Решение таких задач возможно путем создания соответствующих модификаций базовых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Заинтересованность в их применении для своих целей определяет особые роль и место таких комплексов в системе специализированной техники министерств и ведомств РФ.
Беспилотная авиация одно из самых динамично развивающихся направлений в авиации на сегодняшний день. Маркетинговые исследования прогнозируют рост доходов глобального рынка БПЛА до 18 миллиардов долларов США в 2020 году, что является самым высоким показателем среди сегментов мировой авиакосмической отрасли.
Взрывной рост рынка БПЛА и связанных с ним услуг прогнозируется при преодолении в скором времени ряда технических и административных барьеров, ограничивающих использование БПЛА в национальном воздушном пространстве.
Основными областями использования БПЛА в гражданском секторе экономики являются: производственный, геофизический и экологический мониторинг; дистанционное зондирование; наблюдение и охрана.
Непосредственно к задачам, которые можно решать на высоких широтах с помощью БПЛА, можно отнести: обнаружение малоразмерных воздушных и наземных объектов; поиск и обнаружение морских судов; контроль морских границ и правил рыболовства; аэрофотосъемка, картография; инспекция соблюдения договорных обязательств, например, режима «открытого неба»; контроль гидро - метеообстановки и активно излучающих объектов; геологоразведка; разведка ледовой обстановки, слежение за волнением моря, поиск косяков рыбы; охрана важных объектов (например, сотни тысяч километров трубопроводов топливно-энергетических компаний (ТЭК), которые слабо охраняются) и др.
Простая экономическая выгода подталкивает различные предприятия к принятию решений по использованию БПЛА, и этот процесс, находящийся в данный момент в начальной стадии, будет неуклонно развиваться. Считается, что в таких сферах, как дистанционное зондирование земли, контроль коммуникаций и границ использование БПЛА позволит снизить себестоимость услуг на порядок и даже больше по сравнению с традиционными космическими или авиационными системами.
Были найдены сотни позиций потенциального гражданского применения. Ожидается, что «всплывут» еще другие позиции, когда технология будет повсеместно внедрена. Творческий потенциал, инновации и предпринимательство будут играть главную роль в развитии коммерческих воздушных услуг.
Отечественная программа по созданию беспилотной техники в интересах России призвана преодолеть сильное отставание в данной области от ведущих стран мира. Сегодня производить легкие БПЛА в состоянии многие страны, в том числе и Россия. Большое число российских компаний выпускает достаточно качественные образцы небольших БПЛА малого радиуса действия, способных совершать полеты на малых высотах. Такие БПЛА используются российскими силовыми ведомствами, МЧС, гражданскими компаниями и даже продаются за рубеж. Однако с высотными БПЛА, обладающими значительной дальностью полета все не так хорошо, в этой области лидерство США и Израиля является неоспоримым. Даже европейские страны вынуждены приобретать их технику, хотя и продолжают работы по разработке собственных моделей.
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.
Отсутствие законодательной и нормативной базы в Российской Федерации в области беспилотной авиации создает разработчикам и потенциальным потребителям 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 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.
Применение БПЛА на высоких широтах имеет целый ряд технических сложностей, к которым можно отнести:
- сложные метеоусловия;
- отсутствие наземной инфраструктуры;
- влияния внешних помех на радионавигационное обеспечение (особенно для выполнения продолжительных полетов);
- также к беспилотным и дистанционно пилотируемым аппаратам, для их успешного применения, выдвигают первоочередные требования по массогабаритным характеристикам, автономности функционирования, минимального энергопотребления и стоимости.
Залогом успешного решения задач управления БПЛА во многом является высокий уровень развития измерительной техники. Эксплуатационные характеристики беспилотных летательных аппаратов сильно зависят от совершенства бортового оборудования, в частности, от качества информационно-измерительных сигналов, которые используются в управлении. Источником данных сигналов о параметрах движения, таких как местоположение, ориентация, скорость и другие, являются различные измерительные системы и навигационные комплексы (НК).
Измерительные сигналы вышеуказанных систем имеют погрешности из-за конструктивных особенностей и условий функционирования БПЛА. Для повышения точности измерительной информации необходимо исследовать причины возникновения погрешностей и их последующую компенсацию путем применения алгоритмов.
На высоких широтах условия окружающей среды сложны для функционирования БЛА из-за пассивных и активных помех и активного противодействия, в связи с чем, их системы управления (СУ) должны обеспечивать высокую точность движения, эффективное маневрирование и др. Осуществленные отечественными и зарубежными авиакомпаниями полёты по трассам «Polar-1», «Polar-2», «Polar-3» и «Polar-4» показывают низкую эффективность систем наблюдения, связи и управления воздушным судном над акваторией Северного Ледовитого океана в различные периоды года [4].
Навигационное обеспечение влияет на безопасность, надежность и экономические характеристики выполнения полета, поэтому особенно важно обеспечить точность определения координат, непрерывность и целостность передачи данных о положении БПЛА при их эксплуатации на высоких широтах.
Таким образом, к основным проблемам эксплуатации беспилотных летательных аппаратов на высоких широтах относятся: отсутствие нормативно-законодательной базы в РФ для использования БПЛА на высоких широтах; сложные метеоусловия, недостаточное навигационное обеспечение БПЛА на высоких широтах. требования по энергозатратам, простоте и стоимости полетов БПЛА на высоких широтах.
Одним из важнейших является вопрос классификации БПЛА.
Основными классификационными признаками являются: назначение (многоцелевые; и целевые: разведывательные, наблюдательные, транспортные; кратность применения (многоразовые, одноразовые); способ старта (аэродромный и безаэродромный старт (старт с рампы, платформы, пускового устройства носителя); способ возврата (с посадкой на аэродром базирования при помощи шасси, свободный спуск на парашюте в заданном районе, падение на уловитель, возврат на парашюте); область применения (ближнего действия – до 25 км, малой дальности – до 100 км, средней дальности – до 500 км, большой дальности – более 500 км); взлетная масса (до 5 кг - класс микро, до 25 кг - малый класс, 25-150 кг - легкий класс, 150-750 кг - средний класс, 750 – 15000 кг - тяжелый класс); тип БПЛА (самолётной схемы, вертолетной схемы, ракетного заброса, с подъемным вентилятором).
Таблица 1. Международная классификация БПЛА
Также общепризнанной в авиации является система классификации разделения БПЛА на классы. Выделяют классы БПЛА:
Класс 1. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 10 кг с электрическим двигателем. Они могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения в составе стационарных постов охраны или мобильных групп.
Класс 2. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 100 кг с двигателем внутреннего сгорания. Они могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения.
Класс 3. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 1000 кг могут привлекаться как для химической обработки больших площадей, так и для оперативной транспортировки грузов.
Класс 4. БПЛА вертолетного типа. Они представляют интерес для мониторинга объектов.
Основным недостатком существующей системы классификации БПЛА является то, что она не учитывает характеристики наземной инфраструктуры: пункта управления, системы жизнеобеспечения, транспортировки и предполетной подготовки, стартовых и посадочных площадок, а также наличие сети наземных станций и линий их наземной связи.
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, задач по управлению и навигации БПЛА. Поэтому имеет смысл рассмотреть классы БПЛА и произвести отбор БПЛА, которые могли бы эксплуатировать на высоких широтах в настоящее время.
Исходя из выше изложенного, предлагается следующая классификация БПЛА:
БПЛА класса 1 по полезной нагрузке не соответствуют требованиям по установке аппаратуры навигации и управления БПЛА. Практически - это радиоуправляемые БПЛА. В связи с этим они могут эксплуатироваться только в выделенном воздушном пространстве.
БПЛА класса 2 по полезной нагрузке 100-120 кг соответствуют требованиям по установке аппаратуры навигации и управления БПЛА. Дальность и высота полета обеспечивает выполнение основных задач, поставленных перед БПЛА в гражданском секторе экономики.
БПЛА класса 3 по полезной нагрузке 150-200 кг соответствуют требованиям по установке аппаратуры навигации и управления БПЛА, а также дополнительного оборудования. Дальность полета обеспечивает выполнение основных задач, но требуется развитая структура наземных станций для наблюдения, управления и связи, которая отсутствует на высоких широтах.
Таким образом, в работе рассматриваются вопросы обеспечения безопасности полета в общем воздушном пространстве БПЛА класса 2: взлетная масса 500-600 кг, полезная нагрузка 100-120 кг, крейсерская скоростью 130-150 км/час, с дальностью полета, равной прямой радиовидимости. А также рассмотрены перспективы создания инфраструктуры на высоких широтах, для применения БПЛА класса 3.
Для обеспечения задач наблюдения подстилающей поверхности в реальном масштабе времени в процессе полета и цифрового фотографирования выбранных участков местности, включая труднодоступные участки, а также определения координат исследуемых участков местности полезная нагрузка БПЛА должна содержать в своем составе:
Устройства получения видовой информации:
Спутниковую навигационную систему (ГЛОНАСС/GPS);
Устройства радиолинии видовой и телеметрической информации;
Устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством;
Устройство обмена командной информацией;
Устройство информационного обмена;
Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ);
Устройство хранения видовой информации.
Рассмотрим состав бортового оборудования БПЛА.
Обзорное курсовое устройство закрепляется неподвижно под некоторым углом к строевой оси летательного аппарата, обеспечивающим необходимую зону захвата на местности. В состав обзорного курсового устройства может входить телевизионная камера (ТК) с широкопольным объективом (ШПЗ). В зависимости от решаемых задач может быть оперативно заменена или дополнена тепловизионной камерой (ТПВ), цифровым фотоаппаратом (ЦФА) или РЛС.
Устройство детального обзора с поворотным устройством состоит из ТК детального обзора с узкопольным объективом (УПЗ) и трехкоординатного поворотного устройства, обеспечивающего разворот камеры по курсу, крену и тангажу по командам оператора для детального анализа конкретного участка местности. Для обеспечения работы в условиях пониженной освещенности ТК может быть дополнена тепловизионной камерой (ТПВ) на микроболометрической матрице с узкопольным объективом. Возможна также замена ТК на ЦФА. Подобное решение позволит использовать БПЛА для проведения аэрофотосъемки при развороте оптической оси ЦФА в надир.
Устройства радиолинии видовой и телеметрической информации (передатчик и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать передачу видовой и телеметрической информации в реальном или близком к реальному масштабе времени на ПУ в пределах радиовидимости.
Устройства командно-навигационной радиолинии (приемник и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать прием в пределах радиовидимости команд пилотирования БПЛА и управления его оборудованием.
Устройство обмена командной информацией обеспечивает распределение командной и навигационной информации по потребителям на борту БПЛА.
Устройство информационного обмена обеспечивает распределение видовой информации между бортовыми источниками видовой информации, передатчиком радиолинии видовой информации и бортовым устройством хранения видовой информации. Это устройство также обеспечивает информационный обмен между всеми функциональными устройствами, входящими в состав целевой нагрузки БПЛА по выбранному интерфейсу (например, RS-232). Через внешний порт этого устройства перед взлетом БПЛА проводится ввод полетного задания и осуществляется предстартовый автоматизированный встроенный контроль на функционирования основных узлов и систем БПЛА.
Спутниковая навигационная система обеспечивает привязку координат (топопривязку) БПЛА и наблюдаемых объектов по сигналам глобальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (GPS). Спутниковая навигационная система состоит из одного или двух приемников (ГЛОНАСС/GPS) с антенными системами. Применение двух приемников, антенны которых разнесены по строительной оси БПЛА, позволяет определять помимо координат БПЛА значение его курсового угла.
Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) обеспечивает управление бортовым комплексом БПЛА.
Устройство хранения видовой информации обеспечивает накопление выбранной оператором (или в соответствии с полетным заданием) видовой информации до момента посадки БПЛА. Это устройство может быть съемным или стационарным. В последнем случае должен быть предусмотрен канал съема накопленной информации во внешние устройства после посадки БПЛА. Информация, считанная с устройства хранения видовой информации, позволяет проводить более детальный анализ при дешифрировании полученной в полете БПЛА видовой информации.
Встроенный блок питания обеспечивает согласование по напряжению и токам потребления бортового источника питания и устройств, входящих в состав полезной нагрузки, а также оперативную защиту от коротких замыканий и перегрузок в электросети. В зависимости от класса БПЛА полезная нагрузка может дополняться различными видами РЛС, датчиками экологического, радиационного и химического мониторинга. Комплекс управления БПЛА представляет собой сложную, многоуровневую структуру, основная задача которой – обеспечить вывод БПЛА в заданный район и выполнение операций в соответствии с полетным заданием, а также обеспечить доставку информации, полученной бортовыми средствами БПЛА, на пункт управления.
В настоящее время существует немного разработок беспилотных летательных аппаратов, которые могу использоваться в гражданских целях на высоких широтах, к ним можно отнести Норвежский Cryo Wing и Российский «Элерон-3». Арктическая экспедиция «Северный полюс-38» активно использовала в своей работе комплекс беспилотной воздушной разведки и наблюдения «Элерон-3», разработанной компании «ЭНИКС», беспилотные комплексы осматривают ледовую обстановку в радиусе 15 км [5].
Условия самолётовождения на высоких широтах характеризуются рядом особенностей:
1) Местность однообразна, с малым количеством ориентиров, для визуальной и радиолокационной ориентировки. Малым количеством наземных радиотехнических средств навигации. В высоких широтах, над океанами и труднодоступными районами отсутствует радиолокационный контроль.
2) Метеорологическая обстановка неустойчива, преобладают низкие температуры. Наличие частично открытых и частично закрытых льдом больших водных бассейнов. Близость океанических течений (теплого течения Гольфстрим и холодного северного течения), что создает специфические метеорологические условия погоды. Происходит резкое изменение направления и скорости ветра (от штиля до шторма), часто изменяются высота и характер облачности, неожиданно натекает туман с моря на побережье, сильные ветры приносят пургу.
3) В Арктическом регионе наблюдаются длительные периоды полярного дня, сумерек и полярной ночи. Лучшее время для полётов в Арктике - период с начала марта до середины мая, так как в это время заканчивается полярная ночь, улучшаются погодные условия. Арктические полярные сияния значительно затрудняют применение астрономической ориентировки из-за того, что небесные светила трудно различить в переливах сияния.
4) Большая величина магнитного склонения и резкое его изменение на небольших расстояниях, наличие магнитных аномалий и магнитных бурь. В районе Арктики магнитное склонение бывает очень высоким и довольно резко изменяется на небольших расстояниях, из-за близости полюса и наличия магнитных аномалий, связанных, в том числе, с солнечной активностью. Проявляется неустойчивость показаний магнитных и гиромагнитных компасов вследствие малой величины горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Районы Арктики отличаются от других районов распределением земного магнетизма. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли по мере приближения к району магнитного полюса сильно уменьшается и с широты 78° становиться настолько мала, что магнитные компасы ведут себя очень неустойчиво и пользоваться ими почти невозможно.
5) Неустойчивостью распространения радиоволн, особенно коротких, и наличием помех от радиотехнических средств. Во время магнитных бурь распространение радиоволны становиться неустойчивым, что ухудшает радиосвязь и ограничивает применение радиотехнических средств (РТС). При полёте в среде, насыщенной ледяной крошкой или снегом, возникают помехи РТС, которые образуются местными разрядами между разноименно заряженными частицами. ОВЧ не подвергаются влиянию ионосферных и атмосферных помех, но дальность их распространения равна дальности прямой геометрической видимости.
6) Особенностями географического положения, вызывающими большие углы схождения меридианов и быстрое изменение долготы при полёте самолёта. В связи с большими углами схождения меридианов затрудняется выполнение полёта по маршруту с помощью магнитного компаса. Линия фактического пути, при полёте по магнитному компасу имеет большую кривизну, что приводит, с одной стороны, к значительному удлинению пути, а с другой – к ухудшению работы некоторых навигационных приборов. Большая кривизна локсодормии требует непрерывного доворота самолёта в горизонтальной плоскости. Эти довороты вызывают ускорения, которые влияют на точность работы некоторых навигационных приборов. Поэтому при полётах в высоких широтах курс самолёта лучше измерить относительно не истинных или магнитных меридианов, а относительно условных меридианов.
Архитектура построения навигационного комплекса беспилотных летательных аппаратов может быть различной, в зависимости от требований и выполняемой задачи, ниже рассмотрены основные из них.
Как показывает опыт разработки беспилотных летательных аппаратов, в контуре управления БПЛА существуют два основных элемента. Первый — исполнительный, т.е. это сам планер с силовой установкой и рулевые механизмы. Второй - командный. Это тот элемент, который ставит задачу на полёт, принимает решение в случае необходимости изменить программу полёта, выполняет коррекцию движения летательного аппарата при его отклонениях от заданной траектории движения.
При построении комплекса управления БПЛА командный элемент или его часть выносится за пределы аппарата и связывается с исполнительным элементом линией передачи.
Наибольшие трудности возникают при разработке системы управления (СУ). Это связано с тем, что БПЛА должен выполнять задачи в условиях автономного полёта, следовательно, иметь полную функционально замкнутую СУ. Кроме того, малые размеры и масса БПЛА приводят к увеличению количества и диапазона внешних воздействий на данные объекты по сравнению с существующими летательными аппаратами, и, следовательно, ужесточают требования к элементной базе СУ. В связи с этим СУ должна решать следующие задачи:
стабилизация параметров движения объекта применительно к внешним помехам различной природы;
анализ внешних данных бортовыми средствами и определение приоритетной цели в зависимости от поставленной перед БПЛА задачи;
расчет оптимальной траектории движения с целью уменьшения времени движения и расхода ресурсов БПЛА;
контроль правильности удержания траектории;
обеспечение отказоустойчивости объекта управления или компенсация изменений его характеристик бортовыми средствами;
выполнение вычислительных операций большого объема в реальном масштабе времени для реализации алгоритмов управления БПЛА.
Следует подчеркнуть, что основной функцией, решаемой СУ, является управление движением центра масс (три канала управления) и угловыми движениями БПЛА относительно центра масс (три канала управления). Если не нужно точно выдерживать движение летательного аппарата по заданной траектории, то управляют только его угловыми движениями. Управление угловыми движениями обеспечивает вполне определенное положение БПЛА в пространстве по отношению к вектору скорости центра масс. Управление движением центра масс обеспечивает полёт по наилучшей (оптимальной) траектории, например, по кратчайшему пути за кратчайшее время.
Таким образом, управление полетом БПЛА сводится к управлению параметрами его движения: угловыми координатами, угловыми скоростями и ускорениями, линейными координатами (дальностью, высотой, боковым перемещением) и т. д.
Существующие СУ подразделяют на автономные и неавтономные. Кроме того, в отдельную группу могут быть выделены комбинированные СУ. Особенностью автономных СУ является то, что сигналы управления движением вырабатываются аппаратурой, целиком расположенной на борту, причем эта аппаратура после запуска не получает никакой информации из пункта управления. Автономные СУ действуют по заранее определенной программе.
При использовании автономных систем существует два метода получения управляющих сигналов. Можно заранее перед стартом рассчитать, как должны изменяться во времени основные параметры движения БПЛА (скорость, угол и т.д.), определяющие траекторию движения. Полученные функции времени вводятся в специальные устройства СУ в качестве заданных величин или программ. После старта в процессе полета БПЛА соответствующими устройствами непрерывно изменяются текущие (действительные) значения указанных параметров. СУ осуществляет сравнение расчетных значений параметров с текущими значениями и при их неравенстве вырабатывает соответствующие сигналы управления. Если на БПЛА установлена аппаратура, позволяющая вести непрерывное измерение её координат в пространстве, то автономное управление можно осуществить по-другому. Координаты, получаемые от аппаратуры, автоматически вводятся в бортовое вычислительное устройство, которое в соответствии с заранее заложенной программой вычисляет величину сигналов управления. Следовательно, заранее не задается определенная траектория, а каждый раз вычисляется в зависимости от текущих координат. При этом предполагается, что координаты объекта предварительно заложены в вычислительное устройство. На работу таких СУ не оказывают влияние искусственно создаваемые помехи. Это основное их достоинство. Кроме того, эти системы можно применять для управления БПЛА с большой дальностью полета.
Определение собственных координат воздушным судном происходит ежесекундно при стандартной работе приёмника спутниковой навигационной системы (СНС). При перенастройке приемника частота определения собственных координат может быть увеличена. Практически же увеличение частоты не дает выигрыша в точности определения координат, так как скорость изменения координат накладывает ограничения на маневренность БПЛА. Характер движения в течение одной секунды меняется мало, и положение БПЛА можно достаточно точно рассчитать по его предыдущему положению, динамике полета и текущему маневру. В реальности стоит задача не только знать, где и в какое время находится объект, но и в зависимости от его местоположения выработать ответную реакцию.
Итак, ситуацию можно разделить на три условные категории. Первая - простейший случай мониторинга. Задача системы состоит в фиксации местоположения объекта с привязкой ко времени. Вторая - это расширение первой. Причем, в добавление к наблюдению, система вырабатывает внутри себя ответную реакцию (сигнализацию, набор вычислительных процедур, выработку внутренней команды). В этом случае время на выработку ответной реакции и на ее исполнение ничтожно мало по сравнению с дискретностью отсчета местоположения объекта. Третья категория — передача вычисленных во втором случае данных обратно на борт летательного аппарата. Например, с целью коррекции его движения. Здесь складываются времена передачи координат с летательного аппарата на пункт наблюдения, выработки команды и передачи команды обратно на борт аппарата.
Основные проблемы интеграции БПЛА в единое воздушное пространство и в частности в Арктический регион связаны с отсутствием процедур использования воздушного пространства в РФ. Необходимо разработать и внедрить разрешительные меры эксплуатации БПЛА в общем воздушном пространстве. Для безопасной интеграции БПЛА в единое воздушное пространство (в данном случае в Арктике) необходимо оборудовать БПЛА навигационном комплексом, соответствующим международным нормам и требованиям для реализации поставленных задач, также необходимо предусмотреть реализацию функции разрешения конфликтной ситуации. Необходимо проанализировать работу современных навигационных средств, на предмет готовности работы в условиях Арктики и выбрать метод управления, который сможет соответствовать требованиям по надежности. Для организации специальных полётов (разведка полезных ископаемых, геодезические и океанографические измерения, картографическая съемка поиска и спасение и др.) необходимо, чтобы навигационное оборудование обеспечивало точность определения координат с погрешностью 1-10 м и высоты 1,5-3 м.
Для того, чтобы, определить навигационный комплекс для БПЛА, который будет соответствовать требованиям для выполнения специальных задач (разведка, спасательные операции и т.д.) на высоких широтах необходимо проанализировать работу современных навигационных комплексов, определить основные факторы, которые воздействуют на точность и надежность навигационных систем. К наиболее распространенным системам навигационного оборудования относят совместный комплекс состоящий из спутниковой навигационной системы и инерциальной навигационной системы (ИНС). Средства ближней навигации в высоких широтах не устанавливаются из-за сложности содержания на островах и льдинах обслуживающего персонала и мощных электростанций. Также из-за особенностей подстилающей поверхности и климатических условий невозможно использовать визуальные методы навигации для беспилотных систем при длительных полётах.
На основе анализа погрешностей бесплатформенная инерциальная навигационная системы (БИНС), было выявлено, что наибольший вклад в суммарную погрешность, вносит погрешность обусловленная дрейфом гироскопа. При длительной работе автономной режиме накопление погрешностей приводит к тому, что вырабатываемая ИНС навигационная информация утрачивает необходимую адекватность и тогда целесообразно корректировать БИНС с помощью внешних или внутренних источников навигационной информации. Применение спутниковых навигационных систем (СНС) на высоких широтах, обусловлено рядом проблем, таким как распространение радиоволн в ионосфере, трапосфере и геометрическим фактором. Для того, чтобы навигационная система соответствовало требованиям для специальных полётов, СНС необходимо дополнять.
Для решения задач навигации на высоких широтах для беспилотных летательных аппаратов, можно выделить два пути создания навигационных комплексов:
1) Неавтономный НК – осуществляет навигацию с помощью инерциальной навигационной системой, погрешности которой компенсируют, с помощью внешних источников навигационной информации. Для реализации этого метода необходимо создать наземную сеть навигационных передатчиков (НП). Приём сигналов от НП в сложной помеховой обстановке позволит облегчить вхождение в режим слежения за сигналами СНС. Для организации выполнения специальных полётов на высоких широтах такие передатчики могут устанавливаться на сопровождающих морских суднах или на станциях.
2) Автономный навигационный комплекс (НК) – осуществляет управление по заложенной в памяти бортового компьютера программе полёта, которую дополняют компоненты искусственного интеллекта, с помощью которых могут быть учтены возникающие в полете непрогнозируемые заранее изменения внешних условий, а также появление новых целей, не исключена возможность при необходимости перепланирования действий.
Необходимо, более подробно рассмотреть эти два метода, касательно к использованию БПЛА на высоких широтах.
Анализ требований по точностным навигационным характеристикам БПЛА показывает, что для обеспечения специальных полётов требуется большая точность навигационных характеристик. Перспективным направлением на пути повышения точности является установка навигационного передатчиков на земле или на сопровождающем судне.
НП будет представлять собой передатчик, работающий совместно с космическим сегментом, сигнал которого должен быть синхронизирован с сигналами СНС ГЛОНАСС и близок им по параметрам и формату. Использование НП позволяет реализовать дополнительное преимущество, заключающееся в повышении точности и надежности навигационных определений в местах затрудненного приёма сигналов СНС. С помощью НП можно обеспечить оптимальную геометрию излучателей и, стабильное навигационное обеспечение. С помощью НП теоретически можно обеспечить относительную навигацию даже в отсутствии сигналов от навигационного космического аппарата (НКА), а значит непрерывность обслуживания в течении наиболее ответственных отрезков времени выполнения навигационного задания.
Возможны два варианта использования навигационной системы на основе НП:
в автономном режиме (только с использованием сигналов НП),
в совместном режиме с СНС.
В этом случае можно выделить автономные навигационные системы и системы, работающие совместно с СНС. И те и другие бывают синхронные либо асинхронные.
Понятие синхронной системы означает точную синхронизацию всех НП системы и их привязку к единому времени. В такой системе механизмы синхронизации могут быть весьма сложны и труднореализуемы.
В асинхронной системе точной привязки к единому времени каждого НП нет. Каждый НП имеет свою несинхронную шкалу времени, относительно которой происходит формирование НС.
С технической точки зрения это означает, что в системе необходимо организовать измерение невязок шкал времени НД относительно единого времени. В данной модели эта задача решается с помощью синхроспутника. Тогда помимо приёма НС от НП необходимо принимать сигнал от (синхроспутника) СС, который в составе НА передает невязку шкал времени используемых в системе на основе НП. Реализация такого псевдо-дифференциального режима требует дополнительного канала связи между аппаратурой потребителя АП и СС, но данный канал связи может быть организован и на частоте передачи НС от НП.
Одной из причин трудности в реализации совместного режима работы СНС и НП является сложность синхронизации шкалы времени НП со шкалой времени СНС. Отсутствие такой синхронизации может привести к ошибкам и снизить фактическую точность СНС, но приведенная математическая модель и алгоритмы работы СНС позволяют исключить ошибки, связанные с рассинхронизацией шкал времени, благодаря использованию псевдо дифференциального режима.
Результаты анализа влияния комплексной обработки сигналов НП и НКА, при решении навигационной задачи над г. Норильск, показали, что погрешность определения навигационных параметров высоты (Н) и долготы (L) не превышает 25 метров, а для широты (В) не превышает 8 метров.
Таким образом, можно заключить, что использование в высоких широтах в зонах плохой радиовидимости НКА функционального дополнения СРНС ГЛОНАСС в виде псевдоспутников позволяет улучшить точностные и надежностные характеристики АП СНС и повысить безопасность полетов воздушных судов гражданской авиации, в том числе и в условиях затенения навигационной антенны элементами конструкции ВС при совершении маневров, за счет избыточности навигационных данных, необходимой для поддержания заданной точности.
Использование НП имеет ряд недостатков:
аппаратура потребителя в этом случае может быть более сложной, например, при реализации синхронизации космического (СНС) и наземного сегментов;
требуется решить ряд проблем, связанных с применением ПС, а именно многолучевость и проблема «ближней-дальней» зоны (далее по тексту «проблема динамического диапазона»
Одна из главных проблем, связанных с использованием комплексированной навигационной системы СНС c НП, - проблема динамического диапазона, когда более мощный сигнал возле приемника АП СНС доминирует над приемом слабых сигналов от отдаленных передатчиков (например, НКА СНС).
Комплексирование СНС с НД, радиовысотамерами обеспечивают требуемые точности определения навигационных параметров для проведения специальных работ с применением БПЛА на высоких широтах. В случая отсутсвия сигнала от СНС или от НД, погрешности определения координат БИНС могут быть компенсированы с помощью внутренних алгоритмов прогнозирования.
Развитие БПЛА за последнее десятилетие показало, насколько востребованным является данный вид робототехнических систем. Выполнение поисковых работ с воздуха с их помощью осуществляется наиболее оперативно и менее затратно в плане обеспечения. Так, например, специалисты Омского государственного технического университета разработали новую модификацию БПЛА – ПП-50 [6]. Это аппарат третьего поколения с улучшенными характеристиками. Новый БПЛА может эксплуатироваться в диапазоне температур от минус 40 до плюс 45 градусов и скорости ветра до 15 м/с. При создании БПЛА ПП-50 использовался опыт конструирования и эксплуатации предшествующих моделей ПП-40 и ПП-45. Это аппараты появились на рынке в 2011-2013 годах, их сегодня применяют географы, геофизики и археологи в России и Казахстане. Модель подойдет для труднодоступной местности где ведется геологоразведка, проходят протяженные линии газопроводов и нефтепроводов.
ПП-50 может провести в воздухе до 6 часов, при этом полетное время составляет 3,5 часа. Это в два раза больше, чем у предыдущих моделей. Скорость дрона составляет до 120 км/ч в радиусе до 100 км, а высота полета – до 5 км, что в пять раз превышает возможности ранее выпускаемых аппаратов.
При конструировании ПП-50 применялись современные 3D-технологии. Корпус изготовлен из новейших композитных материалов на основе кевларовых сот и углепластиков.
Разборный корпус аппарата позволяет удобно размещать внутри него или на подвеске необходимое оборудование. БПЛА стал основой для разработки подвесного патрульно-поискового комплекса "Взор". Пыле- и влагозащита комплекса соответствует классам IP-67 и IP-68, поэтому аппарат может использоваться в условиях атмосферных осадков, он также способен вынести погружение на глубину до одного метра. «Взор» включает в себя тепловизоры и фото- и видеоаппаратуру.
БПЛА ПП-50 с комплексом «Взор» может применяться для видеонаблюдения с передачей изображения в наземный пункт, для трехмерной картографии. Технические характеристики БПЛА и «Взора» позволяют использовать комплекс для патрулирования в условиях Арктики.
Создатели комплекса заявили, что в нем используются комплектующие только российского производства. Отечественной разработкой является даже система автоматического пилотирования, ключевой элемент БПЛА. На выставке техники и высоких технологий для Арктики, Сибири и Дальнего Востока «ВТТА-Омск-2015» возможностями ПП-50 заинтересовались представители «Газпрома» и нефтяных корпораций, работающих в условиях Крайнего Севера. Внимательно изучили достоинства аппарата и представители Министерства обороны РФ.
Развитие беспилотных авиационных аппаратов является важной задачей для нашей страны, так как эта область приборостроения позволяет решать большой спектр задач. Данное направление является перспективным. Поскольку в России уже существует база для дальнейшего усовершенствования технологий (НИИ, компании-производители), развитию БПЛА не должно быть препятствий. Будем надеяться, что решаться вопросы с развитием правовой законодательной базы, позволяющей задействовать БЛА в различных сферах деятельности. Устранив эти сложности, у России есть все шансы стать лидирующей страной в этом направлении.
Из всех компонентов военной мощи западных стран в Арктическом регионе наиболее быстрыми темпами развивается авиация. Это объяснимо: в условиях Северного Ледовитого океана действия других видов вооруженных сил ограничено сложной ледовой обстановкой, растянутыми коммуникациями, крайне сложной логистикой. Западная часть арктической зоны России находится в сфере ответственности НАТО. Здесь развернута мощная авиационная группировка, включающая самолеты США, Великобритании, Дании и Норвегии. Великобритания располагает значительным парком боевой авиации, насчитывающим около 210 самолетов. Ядро ВВС – 138 многофункциональных истребителей «Тайфун», к которым присоединяются первые истребители F-35A. В состав ВВС Великобритании также входят 6 самолетов ДРЛО E-3D, 2 разведчика RC-135W и 14 конвертируемых танкеров A330 MRTT. Это позволяет ВВС решать сложные задачи на значительном удалении от территории страны. Дания в 2016 году приняла решение заменить 30 истребителей F-16 на 27 F-35A, которые начнут поступать в боевой состав после 2020 года. Датские F-16 регулярно перебрасываются в Гренландию для тренировки действий в Арктике. Вместо 57 F-16, регулярно выполняющих задачи в Арктике, ВВС Норвегии приобретают 52 истребителя F-35A. Первые две машины получены в 2015 году, завершение поставок намечено на 2024 год. Норвежские F-35 будут иметь значительные ударные возможности за счет противокорабельных ракет NSM. С 2019 года Норвегия сможет использовать самолеты-заправщики A330 MRTT, которые позволят истребителям действовать на большом удалении от баз. Северная и северо-восточная зона России находится в сфере ответственности двух командований ВС США: Северного и Тихоокеанского. Воздушные и противовоздушные силы первого действуют совместно с ВВС Канады в рамках командования NORAD. В составе ВВС США за действия в Арктике отвечает 11-я воздушная армия, дислоцированная на Аляске.
Канада располагает 77 истребителями CF-18 (F/A-18A/B), которые регулярно отрабатывают развертывание в арктической зоне. В стране ведется дискуссия об их замене новыми самолетами, которыми скорее всего станут F/A-18E/F. Планами развития ВВС предусмотрено расширение разведывательных и транспортных возможностей в Арктике, в том числе за счет приобретения беспилотных систем. ВВС США располагают в Арктике двумя постоянными авиабазами на Аляске. На базе Элмендорф-Ричардсон развернуты 36 истребителей F-22A и 4 самолета ДРЛО E-3. На базе Эйельсон постоянно базируются истребители F-16C/D, которые после 2020 года планируется заменить на F-35A. Масштабы проводимых на Аляске учений демонстрируют потенциал ВВС США по наращиванию авиационной группировки в Арктике.
К потенциалу ВВС следует добавить возможности ВМС США, которые способны быстро развернуть в северных районах Атлантики и Тихого океана одну-две авианосные группы. В составе каждой из них – около 60 многоцелевых истребителей F/A-18E/F и самолетов РЭБ EA-18. У США есть планы организовать постоянное базирование истребителей в Исландии. Кроме того, в случае обострения обстановки боевые самолеты США могут вернуться на авиабазу Туле в Гренландии. К числу преимуществ Запада следует отнести большие возможности разведывательной и патрульной авиации. Например, в составе ВВС США имеется 55 беспилотников RQ-4, способных вести разведку на расстоянии до 5 тыс. км от своих баз. С 2016 года морские варианты этих машин MQ-4C начали поступать в состав ВМС.
В Арктике ведут боевое патрулирование российские атомные подводные крейсера стратегического назначения, атака на которые нанесет существенный ущерб потенциалу ядерного сдерживания. Для противодействия этим угрозам на севере нашей страны была создана мощная система ПВО, которая сегодня восстанавливается с учетом новых военных факторов. Один из них – быстрое развитие в США корабельных систем ПРО, которые могут стать угрозой для российских стратегических ракет на самом уязвимом – активном – участке траектории. Следует отметить, что военная стратегия нашей страны на северном направлении отличается от советской. В тот период Арктика рассматривалась как регион, в котором прежде всего решаются задачи отражения воздушно-космического нападения. Объекты защиты в основном находились на побережье или в глубине территории СССР.Сегодня и тем более завтра необходимо защищать объекты и акватории, расположенные в границах экономической зоны и даже за ее пределами. Это объективно усложняет требования к возможностям группировок войск и к военной инфраструктуре.С учетом новых реалий и задач в 2014 году в составе ВС РФ было создано новое объединение: объединенное стратегическое командование в Арктике «Север». Задача нового командования – обеспечить безопасность арктического региона России и единое управление военными силами и средствами в зоне от Мурманска до Анадыря. В состав командования входят подводные и надводные силы, Морская авиация, береговые войска и ПВО. Одна из приоритетных задач – восстановление системы воздушно-космической обороны – уже решается. Согласно справочнику Military Balance, пока в количественном отношении авиация России уступает западным силам в Арктическом регионе. В то же время в наращивании состава и возможностей авиации Северного флота в последние годы наметились позитивные тенденции. В состав вновь сформированного полка Морской авиации в 2013–2015 годах вошли корабельные истребители МиГ-29К/КУБ. Выполняется программа модернизации противолодочных самолетов Ил-38. Как заявил командующий авиацией ВМФ РФ, Герой России генерал-майор Игорь Кожин, для действия по морским и наземным целям будут модернизированы все истребители Су-33. В конце 2016 года Морская авиация СФ пополнилась двумя многоцелевыми истребителями Су-30СМ. Ожидается, что именно эти самолеты в ближайшие годы будут пополнять авиационные части флота. Следует отметить, что в критической ситуации группировка в Арктике может быть усилена за счет Воздушно-космических сил, ряд авиационных частей которых ориентирована на действия в северных регионах.
Арктика, с ее сложными географическими и метеорологическими условиями, предъявляет особые требования к авиационной технике. В создании такой техники Россия в последние годы смогла добиться существенного прогресса. В начале июля холдинг «Вертолеты России» досрочно передал российским военным два арктических транспортно-штурмовых вертолета Ми-8АМТШ-ВА. Первая машина этого типа поступила на Камчатку в 2016 году. Арктический Ми-8АМТШ-ВА может эксплуатироваться при температурах до минус 60 градусов Цельсия. Благодаря дополнительным топливным бакам дальность полета вертолета превышает 1400 км. При необходимости он может нести вооружение, аналогичное Ми-8АМТШ, в том числе ПТУР «Штурм» или «Атака» и ракеты «Игла» класса «воздух–воздух». На Ми-8АМТШ устанавливается бортовой комплекс обороны «Витебск», защищающий от переносных ЗРК. При создании арктического вертолета особое внимание уделено совершенствованию навигационного оборудования, обеспечивающего длительные полеты над безориентирной местностью.
Если не думать о перспективе, то нынешняя ситуация с транспортными самолетами в Арктике не выглядит угрожающей. Существующий в ВКС и Морской авиации ВМФ России парк достаточен для решения большинства задач. Его основу составляют тяжелые транспортные самолеты Ил-76 (существующие и выпускаемые Ил-76МД-90А), средние Ан-12 и легкие Ан-72 и Ан-26. Проблема заключается в том, что ресурс большинства «анов» приближается к исчерпанию. Кроме того, поддерживать самолеты, спроектированные и построенные (в основном) украинскими авиазаводами, становится все труднее. Надежду вселяют срочные меры, направленные на активизацию разработки легкого военно-транспортного самолета Ил-112В и восстановление производства усовершенствованного пассажирского Ил-114-300. Летные испытания этих самолетов должны начаться в 2018–2019 годах, поставки – в начале 2020-х годов. Ил-114, как отметил вице-премьер Дмитрий Рогозин, заменит в Арктике линейку машин КБ Антонова. Кроме того, Ил-114 рассматривается как основа для создания специальных самолетов. Глава ОАК Юрий Слюсарь заявил: «Мы рассчитываем, что Ил-114 будет использоваться как платформа для всевозможных специальных комплексов: разведки, патрулирования, мониторинга. Рассматриваем вариант постановки на лыжи, для использования в арктических зонах и в качестве патрульно-спасательной машины».
Создание новых патрульных и противолодочных самолетов в России весьма актуально, поскольку существующие Ил-38, модернизированные Ил-38Н и Ту-142МК в среднесрочной перспективе исчерпают свой ресурс. Сегодня основу ударного потенциала России, в том числе на северном направлении, составляют самолеты Дальней авиации и фронтовые бомбардировщики Су-24М и Су-34. Россия наращивает возможности стратегических ракетоносцев Ту-160 и Ту-95МС, которые помимо участия в ядерном сдерживании могут выполнять задачи в локальных и региональных неядерных конфликтах.
Следующим шагом станет модернизация дальних бомбардировщиков Ту-22М3, одна из важнейших задач которых – борьба с корабельными группировками противника, в том числе авианосцами. Согласно заявлению гендиректора компании «Туполев» Александра Конюхова, летные испытания Ту-22М3М начнутся в 2018 году.
В более отдаленной перспективе Дальняя авиация получит стратегические ракетоносцы Ту-160М2 и затем – перспективные авиационные комплексы.
Со времен СССР основным истребителем-перехватчиком на Севере был МиГ-31. Он обеспечивал перехват крылатых ракет США, которые могли запускаться со стратегических бомбардировщиков и подводных лодок. В последние годы МиГ-31 активно использовались на учениях в северных районах России. По заявлению заместителя командующего войск ВКО генерал-майора Кирилла Макарова, «истребители МиГ-31 будут прикрывать с воздуха наши порты, транспортные артерии и суда во всей арктической зоне».
Сегодня в России реализуется программа модернизации, которая охватит примерно 20% из 500 выпущенных МиГ-31. Модернизация по программам МиГ-31БМ/БСМ существенно повышает возможности истребителей по уничтожению современных средств воздушного нападения.
«Рабочие лошадки» современной войны в воздухе – это многофункциональные истребители. Морская авиация Военно-морского флота сделала ставку на Су-30СМ, которые способны решать широкий круг задач, включая перехват воздушных целей, завоевание господства в воздухе и нанесение ударов по наземным и надводным целям. Кроме того, благодаря ритмичному крупносерийному производству Су-30СМ отличается хорошим соотношением эффективности и стоимости. Северный флот стал вторым объединением ВМФ РФ, которое получило такие машины. Скорее всего северяне стали бы первыми, однако после известных событий Су-30СМ сначала были поставлены Черноморскому флоту.Согласно распространенному в 2015 году сообщению Минобороны РФ, до 2020 года Морская авиация получит свыше 50 истребителей Су-30СМ. Командующий авиацией ВМФ РФ, Герой России генерал-майор Игорь Кожин заявил: «Поступление в войска истребителей Су-30СМ позволяет существенно расширить возможности авиационных группировок ВМФ. Большая дальность полета, возможность дозаправки в воздухе, способность бороться высокоточным оружием с воздушными, надводными и наземными целями – эти качества Су-30СМ востребованы Морской авиацией ВМФ России». Отметим, что Морская авиация, причем не только в России, предъявляет к истребителям специфические требования. Недаром ВМС США продолжают закупки новых вариантов F/A-18, хотя имеют возможность полностью перейти на истребители пятого поколения.
Интерес для Морской авиации может представлять перспектива адаптации к истребителю тяжелых дальних сверхзвуковых противокорабельных ракет. Такую программу в Индии ведет совместное предприятие «БраМос», российским участником которого выступает НПО машиностроения. Перенос этого опыта в «родные пенаты» позволит создать комплекс, способный бороться с любыми целями на море, включая авианосные группы. Многофункциональные истребители существенно увеличат ударный потенциал российской авиации в Арктическом регионе. Довооружение Су-30СМ позволит создавать компактные группировки для решения разнообразных задач, стоящих перед боевой авиацией. Это чрезвычайно важно для небольших арктических аэродромов, развертывание на которых значительного числа специализированных самолетов затруднено.
Финансирование программ развития оборонной инфраструктуры Россия ведет в приоритетном порядке. По информации агентства РБК, на эти цели выделяется 34 млрд руб., как это и предусмотрено упомянутой стратегией развития региона до 2020 года. Решение об этом было принято в ходе июньской серии совещаний с участием вице-премьера Дмитрия Рогозина – куратора арктической темы в правительстве. В преддверии будущего наращивания авиационной группировки в Арктике ведется восстановление северных аэродромов России. Главком ВКС РФ генерал-полковник Виктор Бондарев заявил: «Идет развитие аэродрома Рогачево на Новой Земле и других северных аэродромов. Это Воркута, Тикси, Анадырь и мыс Шмидта, а также другие. Это аэродромы будут восстановлены, и на них будет базироваться наша авиация».
По словам представителя Спецстроя России, в ближайшей перспективе в Арктике будет обустроено девять аэродромов.
