УДК 629.7.054.07

Возможность применения современных методов навигации в беспилотных авиационных системах

Сагитов Дамир Ильдарович – кандидат технических наук, доцент факультета Летной эксплуатации Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Ёрочкина Дарья Сергеевна – студент факультета Летной эксплуатации Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) становятся все более распространенным средством для выполнения различных задач в авиации, обороне, гражданской безопасности и других областях. В данной статье рассмотрены современные технологии, используемые в электронных системах управления, навигации, передачи данных и других аспектах функционирования БПЛА. Описываются преимущества и ограничения каждого метода навигации.

Ключевые слова: навигация, беспилотные летательные аппараты, GPS, ГЛОНАСС, ИНС, визуальная навигация.

Навигационные системы играют ключевую роль в обеспечении точности и надежности полетов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Они применяются в самых разных областях, таких как военное дело, гражданская авиация, исследования и мониторинг окружающей среды. Рассмотрим подробнее основные существующие на сегодняшний день системы навигации.

1. Система спутниковой навигации GPS (Global Positioning System)

Является одним из наиболее распространенных методов навигации при использовании БПЛА. Сеть навигационных спутников GPS транслирует сигналы, позволяющие очень точно вычислять скорость беспилотника и его положение в пространстве. Система охватывает практически всю поверхность планеты, кроме приполярных областей, и околоземное космическое пространство, давая возможность измерять время, расстояние и расположение объекта во всемирной системе координат WGS 84, причем даже в сложных погодных условиях. Система разрабатывалась и внедрялась Министерством обороны США, однако давно используется и в гражданских целях. Для работы с ней необходим навигатор либо смартфон с приемником GPS-сигналов.

Система GPS позволяет определять координаты объекта при помощи измерения получаемых приемником синхронизированных спутниковых сигналов. Для того, чтобы определить трехмерные координаты в каждый момент времени, устройство выполняет 4 уравнения, где расстояние равняется «произведению разницы между моментом приема сигнала потребителем и моментом его синхронной передачи со спутника и скорости света»:

|r – aj| = c(tj – τ)

r – неизвестный радиус-вектор приемника сигнала;

aj – радиус-вектор j-го спутника;

c – скорость света;

tj – момент приёма спутникового сигнала согласно часам принимающего устройства;

τ – момент синхронизированной трансляции сигнала доступными спутниками согласно часам принимающего устройства.

Основная проблема применения спутниковых навигационных систем – при некоторых условиях сигнал не доходит до принимающего устройства либо доходит заметно искаженным. К примеру, даже профессиональный геонавигатор не способен определять местоположение в стенах сооружений из железобетона, в тоннелях и в глубоких ущельях. Так как рабочие частоты сигналов GPS располагаются в дециметровом радиоволновом диапазоне, качество спутникового сигнала снижается даже при сильной облачности или под плотными кронами деревьев. Кроме того, хорошему приему зачастую препятствуют глушители сигналов от спутников, магнитные бури, помехи от каких-либо наземных источников радиоизлучения.

2. Система спутниковой навигации ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система)

Это российская альтернатива GPS, предоставляющая аналогичные возможности для выяснения местоположения и другой навигационной информации для БПЛА. Ее применение в сочетании с системой GPS увеличивает точность и надежность навигации.

ГЛОНАСС передает сигналы от гражданских спутников (обычные и зашифрованные), используемые по всей поверхности Земли, предоставляя неограниченные услуги навигации для общего и специального пользования.

Первоначально данная система разрабатывалась для решения военных задач и запускалась в 1982 году в одно время с системой СПРН, предупреждающей о ракетном нападении. Она должны была предоставлять навигационные услуги соответствующим пользователям космического, морского, наземного, воздушного базирования.

Сегодня система основывается на двадцати четырех спутниках, которые движутся над поверхностью планеты в 3-х орбитальных плоскостях с орбитальной высотой 19100 километров. Главное различие с системой GPS - движение российских спутников по орбите более стабильно, поскольку отсутствует синхронизация с вращением Земли. В связи с этим парк спутников навигационной системы ГЛОНАСС не нуждается в постоянных корректировках своей активности.

3. Система ИНС (инерциальная навигационная система)

Определяет скорость и местоположение БПЛА, основываясь на вычислениях его движения. ИНС особенно полезна в случаях, когда спутниковые навигационные системы недоступны или не позволяются получить качественный сигнал, к примеру, в горных районах или в густых лесах.

Инерциальный навигационный метод основывается на инерциальных свойствах объектов и является автономным, не требуя каких-либо сигналов либо ориентиров извне. Он позволяет определять координаты и изменения положения в пространстве самолетов, кораблей, ракет, беспилотников и других объектов, а также управлять их перемещением. В противоположность ИНС, любые неавтономные способы навигации используют внешние сигналы либо ориентиры (маяки, свет звезд, радиосигналы и др.), что проще, но не всегда целесообразно в силу наличия радиопомех, тумана и иных сложных условий. Поэтому в свое время и возникла идея разработки автономных инерциальных систем навигации. Их суть заключается в том, что система позволяет определять угловую скорость и ускорение объекта посредством приборов, которые установлены на объекте, а по полученным параметрам определять его местоположение, скорость, трек движения и расстояние пройденного пути. Также вычисляются данные, требующиеся для того, чтобы стабилизировать объект и автоматически управлять его перемещениями. Используемые для навигации устройства:

  1. Линейные акселерометры;
  2. Гироскопы, воспроизводящие систему координат объекта и определяющие углы его наклона либо поворота: помогают стабилизировать объект и управлять его перемещениями;
  3. Компьютеры, определяющие координаты, скорость и иные кинематические показатели методом интегрирования по ускорению объекта.

Главные достоинства инерциальной навигационной методики – ее автономия, помехоустойчивость, максимальная автоматизация навигационных процессов. В силу перечисленного данная методика все более широко применяется для решения военных задач, для навигации космических объектов, морского транспорта и иных крупных движущихся объектов на земле, в воздухе и в воде.

4. Комбинированные навигационные методики

Часто БПЛА используют комбинацию разных навигационных систем, чтобы повысить надежность и точность позиционирования. К примеру, комбинированный подход может подразумевать применение GPS в сочетании с ИНС с целью компенсации ошибок каждого отдельного способа навигации.

Интеграция компьютерного зрения в комбинированные навигационные методики позволяет БПЛА обнаруживать и отслеживать объекты на земной поверхности, дополняя сведения о собственном местоположении, полученные от GPS и ИНС.

Комбинированный подход может включать и радионавигацию для повышения точности позиционирования при наличии помех для спутникового сигнала и при ограниченной видимости.

5. Визуальный навигационный метод

Основывается на применении камер или систем компьютерного зрения с целью обнаружения и отслеживания объектов на поверхности земли. Такие системы помогают анализировать изображения с камер, определяя координаты и ориентацию БПЛА относительно окружающей среды. Этот метод дополняет другие навигационные методы и повышает уровень автономности аппарата.

Одним из основных методов визуальной навигации является SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) – одновременное определение местоположения и построение карты окружающей среды. Этот метод позволяет БПЛА ориентироваться в пространстве и избегать препятствий в режиме реального времени.

Визуальная навигация широко применяется в различных сценариях полетов беспилотных летательных систем. Например, она может использоваться для автономного посадочного подхода к цели, обнаружения и следования за объектами на земле, а также для создания трехмерной карты окружающей территории.

Преимущества визуальной навигации включают высокую точность определения местоположения, возможность работы в условиях ограниченной видимости и независимость от внешних навигационных систем.

Современные методы навигации беспилотных летательных систем сочетают в себе высокую точность, надежность и гибкость, позволяя аппаратам успешно выполнять различные задачи в различных условиях. Они значительно расширяют возможности и эффективность беспилотных летательных систем, делая их все более востребованными в различных областях применения. Они обеспечивают БПЛА возможность автономного полета, выполнения сложных миссий и повышения безопасности. Дальнейшее развитие технологий навигации будет способствовать улучшению функциональности и эффективности БПЛА.

Список литературы

  1. Куприянов А. О. Глобальные навигационные спутниковые системы и их применение в геодезии и картографии [Электронный ресурс]: учебник / А. О. Куприянов, А.С. Корчагин – Москва, 2017.
  2. Насыров И. А. Введение в спутниковые радионавигационные системы [Электронный ресурс]: учебное пособие – Казань, 2005.
  3. Богданов М. Р. Применение GPS - Глонасс [Электронный ресурс]: учебно-справочное руководство – 2012.

Интересная статья? Поделись ей с другими: