Исследование и построение алгоритмов автоматической пилотажно-навигационной системы малогабаритного беспилотного летательного аппарата многократного применения

Интенсивная разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА) многократного применения является характерной тенденцией развития мирового авиастроения в настоящее время и в ближайшей перспективе. Потребность в беспилотной авиации превратила ее в самый быстрорастущий сегмент мирового авиационного рынка. Это обусловлено тем, что БЛА предоставляют потребителю многочисленные преимущества [1]. Интенсивные работы по созданию возвращаемых БЛА явно свидетельствуют об очевидном потенциале данного направления. Так, например, специалисты NASA и Министерства обороны США ежегодно публикуют «дорожную карту» развития отрасли беспилотных летательных аппаратов на 25-летнюю перспективу.

Действительно, БЛА могут находиться в воздухе и выполнять свою I целевую задачу в течение значительного промежутка времени в ситуациях, связанных с риском для здоровья экипажа. Более того, развитие беспилотной ударной и разведывательной авиации является актуальной задачей повышения обороноспособности страны. Долгосрочные планы развития ВВС РФ предусматривают наряду с развитием и активным использованием многофункционального фронтового самолета 5-го поколения, созданием научно-технического задела по разработке легкого фронтового истребителя, авиационного комплекса дальней (стратегической) авиации, перспективных самолетов военно-транспортной авиации, а также создание и освоение ударных беспилотных комплексов.

Беспилотная авиация, по мнению мировых экспертов, уже достигла той стадии развития, при которой возможно её широкомасштабное массовое применение в различных ситуациях. Отсутствие экипажа на борту позволяет в полной мере реализовать принцип сверхманевренности и уменьшить размеры летательного аппарата.

Опыт широкого применения беспилотной авиации в локальных военных конфликтах последнего времени подтверждает растущий оптимизм зарубежных специалистов. Так, широкоизвестный БЛА Predator А/В, разработанный General Atomics Aeronautical Systems в США, по состоянию на сентябрь 2009 года имеет общий налет более 435 000 часов. Однако в России же ситуация с беспилотной авиацией выглядит иначе: в июне 2009 года Министерство Вооруженных Сил РФ закупило у Израиля 12 БЛА на сумму в 53 миллиона долларов. В настоящее время ведутся переговоры по покупке еще одной партии БЛА на сто миллионов долларов США.

В настоящее время БЛА многократного применения принято классифицировать по массе, габаритам и диапазону их применения [2]:

— микрогабаритные (микро) БЛА: взлетная масса m < 7 кг, способность совершать полеты внутри зданий или на высоте Н < 130 метров;

— малогабаритные (Мини) БЛА: взлетная масса m = (7 — 400) кг, способность совершать полеты на высоте Н <4600 м и на расстояния L < 500 км;

— среднеразмерные БЛА: взлетная масса m = (400 — 4000) кг, способность в течение длительного времени совершать полет на высоте Н = (4600 — 13 700) м и на расстояния L > 500 км;

— крупные БЛА: взлетная масса m > 4000 кг, способность в течение длительного времени совершать полет на высоте Н> 13 700 м и на расстояния L> (1000−2000) км.

Наиболее сложным процессом является разработка автоматической пилотажно-навигационной системы для класса микрои малогабаритных БЛА, некоторые образцы которого приведены в таблице 1.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию и разработке структуры и законов функционирования автоматической пилотажно-навигационной системы малогабаритного БЛА многократного применения с традиционным взлётом и посадкой по самолетной схеме. Опыт мировой эксплуатации показывает, что такой тип посадки снижает уровень аварийности данного типа БЛА.

В таблице 1 представлена информация о ТТХ и состоянии разработок некоторых российских малогабаритных БЛА [3].

Таблица 1.

Тактико-технические характеристики российских малогабаритных БЛА.

БЛА Стадия СтартКрейсерсМаксиПрактическ. ПродолжиТип разработки вая кая мальная дальность, тельность двигателя масса, скорость, высота, км полета, час.

ОКБ Яковлев".

Пчела-1″ эксплуатация 138 120 3500 50 3,5 Поршневой.

Луч".

Типчак" ОКР, испытания 50 200 3000 40 >2 Поршневой.

Новик XXI век".

Отшельник" испытания 60 110 4000 Нет данных 6 Поршневой.

ГРАНТ" испытания 20 120 5000 70 34 Поршневой.

БРАТ" серия 2,8 100 3000 30 3 Поршневой.

Иркуг".

Aerostar" ОКР 200 150 6800 200 14 Поршневой.

Эникс".

Элерон" ОКР, испытания 2,8 105 3000 Нет данных 1 Электричес.

МКБ «Электрон».

Вертикаль" ОКР 20 120 3000 Нет данных 4 Поршневой.

Камов".

Ка-137 ОКР, макет 280 145 2900 530 4 Поршневой.

В класс малогабаритных БЛА, кроме приведенных в таблице 1, относят значительную часть динамически подобных копий вновь создаваемых пилотируемых самолетов. Для таких моделей возрастает значение и без того жестких ограничений, накладываемых на габариты и массу систем навигации и стабилизации, и, таким образом, делая практически невозможным построение таких систем на основе традиционных гироскопических датчиков углов крена и тангажа — гировертикалей.

В общем, для БЛА данного класса применимы следующие принципы навигации и стабилизации БЛА: автономный принцип навигации предусматривает процесс формирования траектории между ППМ и автоматическую стабилизацию БЛА на этой траектории только бортовыми средствамиданному принципу свойственны большая.

11 I скрытность и помехозащищенность, что ценно для применения в отсутствии соответствующей инфраструктуры и профильных специалистов, а также для операций, имеющих целью скрытное воздействие и получение информациидистанционный принцип навигации подразумевает пилотирование' БЛА с использованием радиоканала между БЛА и оператором пункта навигации и управления (ПНУ) и ограничен относительно небольшим удалением БЛА от ПНУ (пределами оптической зоны видимости или дальности телепередатчика, транслирующего видеоинформацию, регистрируемую бортовой видеокамерой) — данный принцип применим при решении задач, требующих неформализуемых интеллектуальных ресурсов в особых ситуациях полета. комбинированный принцип предусматривает использование как автономного так и дистанционного принципов навигации в зависимости от решаемой задачи БЛА.

Малогабаритные БЛА должна отличать высокая мобильность всех систем, многофункциональность, относительная дешевизна конструкции и малая уязвимость, связанная со сложностью обнаружения объектов такого класса. Поэтому к бортовому оборудованию таких БЛА предъявляют жесткие I требования к массогабаритным характеристикам и необходимому набору функций, обеспечивающих выполнение задач целевой нагрузки.

Вследствие этого, ключевым вопросом разработки БЛА является задача построения пилотажно-навигационной системой траекторий полета, оптимальных по заданным критериям, а также своевременное и адекватное внешним факторам автономное изменение этих траекторий на базе минимально сложной информационной системы [4, 5]. Успешное решение этой задачи обеспечивает существенно более рациональное использование БЛА и способствует достижению основной целевой функции аппаратов данного класса — автономности применения.

Свойства автономности, самодостаточности и функциональной простоты информационных систем являются неотъемлемыми атрибутами концепций облика перспективных БЛА.

Построению пилотажно-навигационных'комплексов (ПНК) и навигационных систем посвящены работы таких ученых как академик Красовский A.A., академик Поспелов Г. С., д.т.н. Михалев И. А., д.т.н. Романенко Л. Г., д.т.н. Салычев О. С., д.т.н. Харьков В. П., к.т.н. Чикулаев М. С, F. Holzapfel, B.L.Stevens, F.L.Lewis и других. В их работах исследованы ПНК, в основном, пилотируемых самолетов или отдельные режимы работы системы управления БЛА.

Однако эти работы в основном относятся либо к ПНК пилотируемых самолетов, либо к отдельным режимам работы системы управления БЛА.

Диссертация является дальнейшим развитием принципов построения эффективных систем автоматической навигации для малогабаритных БЛА. В данной работе на основе комплексного подхода выполнена разработка и проведено исследование структуры и алгоритмов автоматической пилотажноI навигационной системы для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлётом и посадкой по самолетной схеме, наделяющих его новыми эксплуатационными качествами и повышающими живучесть. В работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ и выполнено формирование структуры АПНС, построенной на основе агрегатов структурно нерезервированных систем навигации и стабилизации с учетом функционального резервирования на основе автономного, дистанционного и комбинированного принципов навигации.

2. Обеспечена автономная навигация и стабилизация БЛА без использования информации о его угловой ориентации.

3. Обеспечена высокоточная терминальная навигация посредством интеграции сигналов датчиков первичной информации (ДЛИ), приемника спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС/GPS и оптической навигационной системы.

4. Повышена живучесть БЛА при отказах элементов АПНС путем автоматической реконфигурации ее структуры на основе результатов контроля функционирования этих элементов.

Целью диссертационной работы является синтез структуры и алгоритмов управления АПНС малогабаритного БЛА многократного применения, обеспечивающих реализацию траекторий полёта, оптимальных по времени прибытия и путевой скорости прибытия в заданную точку пространства, а также повышение живучести.

Основные результаты работы опубликованы в двух статьях [45, 53] в журнале «Вопросы оборонной техники. Сер. 9», входящем в перечень ВАК, в отчете о НИР и в семи статьях в периодических журналах и сборниках научных трудов. ! ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы из 77 наименований и приложений] Она изложена на 154 страницах, содержит 37 рисунков и 35 таблиц. |.

Выводы и заключение.

Основная тенденция развития комплексов стабилизации и навигации БЛА состоит в повышении автономности функционирования. Эффективное использование малогабаритного БЛА многократного применения невозможно без специализированной автоматической пилотажно-навигационной системы.

Сложность разработки такой систем обусловлена массо-габаритными и эксплуатационными требованиями к АПНС, что затрудняет использование традиционного авиационного оборудования и способов его резервирования. Это обусловливает при проектировании АПНС переход от резервирования агрегатов и систем навигации и стабилизации «по подобию» к функциональному резервированию, а также побуждает к синтезу нетрадиционных схем навигации и стабилизации.

Малогабаритным БЛА многократного применения свойственны комбинированный способ управления, в связи с чем возрастает роль системы реконфигурации режимов управления и навигации.

В данной работе в качестве метода синтеза алгоритмов управления применяется метод «обратных задач динамики». Алгоритмы, синтезированные с помощью этого метода, имеют нетрадиционные структуры и придают системам I I естественные свойства адаптивности — слабой чувствительности к изменению 1 параметров и возмущающим силам.

В работе:

1. Предложен принцип построения АПНС для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлетом и посадкой по самолетной схеме, основанный на интеграции сигналов инерциальных датчиков, приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/ОР8 и оптической навигационной системы, обеспечивающий повышение живучести БЛА.

2. Разработаны алгоритмы формирования и реализации пространственно-временной траектории полета БЛА для решения задачи терминальной навигацииавтоматического выхода в заданное время прибытия и с заданной путевой скоростью прибытия в заданную точку пространства.

3. Синтезированы алгоритмы автономной навигации БЛА в горизонтальной плоскости, обеспечивающие резервный способ самолетовождения в случае отказа ряда I информационных систем, характеризуемый малыми отклонениями от заданной линии пути при атмосферных возмущениях. ! I.

4. Для повышения точности работы автомата тяги и АС угловой скорости рыскания разработаны и испытаны алгоритмы идентификации в полете БЛА крупномасштабных ветровых возмущений и компенсации этих возмущений. I.

5. В целях повышения живучести системы «БЛА — АПНС» при возникновении нештатных ситуаций, связанных с отказом ряда ДЛИ, разработан алгоритм реконфигурации системы ДЛИ для обеспечения возврата БЛА. ' I.

6. Реализована методика аналитического расчета аэродинамических параметров БЛА и динамической тяговой характеристики силовой установки с.

ВФШ, обеспечивающая соответствие результатов расчета результатам летных испытаний со средней относительной погрешностью 10%. N.

7. Устойчивая работоспособность синтезированных и реализованных в СПО алгоритмов макета АПНС, созданного на базе серийно выпускаемых агрегатов и систем, подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний малогабаритного БЛА в различных метеоусловиях (выполнено 34 полета).

I <