Групповой полет летательных аппаратов – алгоритм обработки информации относительного движения
Абакумов А.В., асп., Шкаев А.Г., асп., Саратовский государственный технический университет
Введение
В настоящее время наблюдается значительное повышение интереса к беспилотным летательным аппаратам (БЛА). Это происходит на фоне успешного применения БЛА в ряде военных конфликтов: в Афганистане, Югославии, где применялись американские БЛА RQ-1 “Предатор”, в Чечне, где российская армия использовала БЛА “Пчела”.
До сих пор практически все БЛА имели только лишь военное назначение и относились в основном к двум основным классам: разведчики и мишени. На сегодняшний день область применения и возможности БЛА значительно расширились, появилось множество новых задач для существующих и перспективных БЛА, как военного, так и гражданского назначения. Такими задачами являются, например, применение оружия (БЛА “Предатор” США), многочасовые полеты (“Глобал Хоук” США, С-62 Россия), сельскохозяйственные задачи (разработки таких БЛА ведутся в настоящее время в Японии) и т.д.
В этом ряду одной из важнейших является задача обеспечения группового полета БЛА. При ее решении возникает ряд существенных технических проблем, поиск решения которых в настоящее время проводятся как в России, так и за рубежом. Существовавшие до сих пор разработки в области автоматического управления групповыми полетами летательных аппаратов были ориентированы преимущественно на управление строем пилотируемых самолетов с большими дальностями между ними, а для БЛА выдвигаются требования полета в строю с дистанциями и интервалом 30-150 метров.
В данной работе осуществляется исследование алгоритмов обработки информации с целью определения параметров относительного движения БЛА в групповом полете и предлагается алгоритм оценивания параметров движения ведущего ЛА по результатам измерений относительного движения.
1. Проблемы управления БЛА в группе. Постановка задачи обработки информации
Современное развитие авиации поставило задачу выполнения совместного полёта группы беспилотных летательных аппаратов.
В связи с этим задача управления БЛА в группе с высокой точностью приобретает особую важность. Необходимость развития техники полёта БЛА в строю выдвигает в настоящее время очень важное направление: создание систем межсамолётной навигации (СМСН) для БЛА с весьма ограниченными весом и объёмом. Эта необходимость определяется ещё тем, что отсутствие в бортовом оборудовании БЛА СМСН может существенно ограничить в ряде случаев их возможности.
В силу ряда причин задача автоматического управления полётом летательных аппаратов (ЛА) в групповом порядке представляет собой одну из наиболее сложных и специфических научно-технических проблем авиации, требующая комплексного решения. Оно состоит в необходимости тактического обоснования рациональных видов строев, количества ЛА в группе, в определении идеологии сбора ЛА в группу, в выборе методов синхронного управления каждым ЛА группы для обеспечения безопасности полёта и точного выдерживания каждым ЛА группы своего места в строю на прямолинейных и криволинейных участках полёта всей группы в целом. Причём, возможность управления группой усложняется нестационарностью параметров полёта. Методы управления ЛА определяют основные принципы, которые используются при проектировании систем управления ЛА в группе [1].
Понятно, что для обеспечения необходимой точности процесса управления полётом строем ЛА СМСН должна строиться в виде системы с обратной связью по информации о взаимном положении. Это позволяет с единой точки зрения рассмотреть систему управления полётом ЛА в строю и дать единую математическую базу её описания. Автоматизация управления полётом ЛА в групповом порядке связана не только с разработкой теоретических основ полёта, но и с разработкой бортовых технических средств измерения относительного положения и систем управления. Проведённый анализ состояния средств определения взаимных координат показал, что ни одно из существующих и разрабатываемых в настоящее время измерительных средств не обеспечивает современных требований определения взаимных координат в плотных группах. В нашей стране разработана лишь автоматизированная система вождения самолётов в строю типа "Купол". Она предназначена для военно-транспортных самолётов. Эта система позволяет выдерживать строй ЛА с рядом ограничений, таких как автоматизация только бокового канала управления, невозможность выдерживания малых дистанций.
Создание средств измерения относительного местоположения ЛА в группе решает проблему обеспечения полёта ЛА в строю не полностью. Необходимо решать также задачу автоматизации обработки информации о параметрах относительного движения и параметрах полёта с целью формирования алгоритмов управления.
Ввиду сложности задачи возможны различные подходы к её решению, отличающиеся как распределением функций управления между наземным пунктом управления и бортом, так и выбором принципов, которые могут быть положены в основу системы управления и которые определяют её конструктивные и динамические характеристики. Исследованию вопросов автоматизации управления полётом строя ЛА посвящены работы наших отечественных учёных: В.А.Боднера, А.А.Красовского, Ю.П.Доброленского, В.Г.Тарасова, С.В.Петрова. В работах этих учёных были сформулированы общие требования к системам автоматического управления группой самолётов: представлено математическое описание строя, как объекта управления, проведены исследования задачи управления самолётами в группе, по результатам которых сделан вывод о том, что строй, как динамическая система сам по себе, без регуляторов, принципиально неустойчив на всех режимах полёта, даны технические предложения по построению систем управления строем самолётов. В фундаментальной работе [2] рассмотрены вопросы теории автоматизированных СМСН. Представлен большой обзор по системам управления полётом группы ЛА и методам измерения параметров относительного движения самолётов. Математической основой рассматриваемых в этой работе методов решения задач межсамолётной навигации является теория оценивания и фильтрации. В работе [3] излагаются основы и специфика применения методов теории нелинейной фильтрации марковских последовательностей и процессов в задачах обработки навигационной информации. Рассматриваются подходы, используемые при решении различного рода нелинейных задач, при этом значительное внимание уделяется тем из них, в которых применение алгоритмов, основанных на линеаризации, неприемлемо. Анализ этих работ показывает, что их результаты ориентированы на построение СМСН для полёта в строю с большими дальностями между ними и поэтому не могут быть в полной мере использованы в СМСН БЛА, так как для них выдвигаются требования полёта в строю с дистанциями и интервалом 30-150 м. В этих работах недостаточно полно рассматривались вопросы выбора структуры управления и её параметров, исследования динамики и точности стабилизации с учётом нелинейностей в математической модели ЛА и модели относительного движения. В настоящее время не разработаны стандартные алгоритмы СМСН, как это сделано в навигации. Поэтому задача разработки алгоритмического обеспечения полётом ЛА, и в том числе БЛА в строю, весьма актуальна.
Развитие СМСН идёт двумя путями: создание автономных систем, не зависящих от наземных средств, и систем, использующих наземные радиомаяки. Каждому из этих путей присущи свои преимущества и недостатки. Второй путь имеет один из недостатков, связанный с точностью определения взаимных координат движущихся в группе ЛА, что не позволяет использовать данный принцип для полёта БЛА в плотных групповых порядках. Так, ошибки в определении относительного положения ЛА в группе могут достигать величин 30-400 м в зависимости от дальности до радиомаяков (к примеру современная радионавигационная система “Тропик” позволяет определять координаты с точностью 0,13 — 1,3 км). В то же время данная идеология может быть применена для полёта большого количества ЛА по несколько ЛА в плотных группах, причём, эти группы ЛА могут находиться между собой на расстояниях до десятков километров (по принципу "ведущий с ведущим"). Другим и основным недостатком такого пути является то, что он обеспечивает вождение ЛА в групповых порядках только в пределах прямой видимости радиомаячных систем. По мнению зарубежных специалистов, применение наземной аппаратуры для автоматического управления полётом группы ЛА технически легче реализуется, не накладывает ограничений на массу, объём и условия эксплуатации аппаратуры. Однако эти выводы не являются достаточно убедительными, поскольку автономная САУ позволяет решать задачи полёта строем без ограничений, накладываемых каналами связи с наземным пунктом управления, а также в условиях радиопротиводействия. Что касается вождения в строю беспилотных самолётов с использованием наземного радиотехнического комплекса, в состав которого входит обзорный радиолокатор, то относительно низкая разрешающая способность обзорного радиолокатора не может обеспечить определение координат с достаточной точностью, необходимой для вождения ЛА с требуемыми параметрами строя. Поэтому групповой полёт строем может быть осуществлен при дистанции между ЛА не менее 1,5-2 км. Использование методов корреляционно-экстремальной навигации, которые получили в настоящее время большое применение в современных пилотажно-навигационных комплексах, невозможны для СМСН БЛА в плотных боевых порядках из-за ограниченной точности, которая, по зарубежным данным, характеризуется сотнями метров. Таким образом, её применение недостаточно для полёта в плотных боевых порядках на основе четырёхмерной навигации каждого из ЛА. Однако этот принцип может быть использован для задачи сбора ЛА в группу. В этом случае на стадии подготовки полётного задания каждому ЛА назначается точка в трёхмерном пространстве, в которую он должен прибыть в назначенный момент времени в заданном направлении.