Използване на безпилотни летателни системи (БЛС) като платформи за дистанционни изследвания

Доц. Д-р Антон Филипов

Университетски център за въздушно наблюдение

при СУ „Св. Климент Охридски“

fil@gea.uni-sofia.bg, 9308261

През последните години дистанционните изследвания (ДИ) се утвърдиха като основен начин за набиране на разнообразна информация за пространствено обособени обекти на и над земната повърхност. Тази тенденция се отнася вече не само за информацията с оперативно значение, но и за регулярно използваната информация. Това обстоятелство се обуславя от безспорните качества на информацията, колекционирана по дистанционен път, а именно: обективност, широк обхват, достъпност на средства за нейната обработка. Независимо от това състояние обаче, усилията за разширяване на технологичната основа на дистанционните методи започнаха да изостават от растящите очаквания на обществото към възможностите на дистанционните методи при осигурява информация за решаването на голям брой задачи.

Както в повечето случаи, когато развитието на определена област е основно за сметка на технологичния компонент, се забелязва ясно различим скокообразен елемент. В случая с информационните технологии това се подсилва и от „скокообразния“ ход на разсекретяване на определени военни технологии. Ще припомним последните няколко „скока“: появата на географската информационна система (ГИС) като метод за автоматизирано обобщение на пространствена информация в началото на 70-те години на XХ век; появата на възможност за използване за граждански нужди за на глобалната система за позициониране (GPS) в началото на 90-те години на XХ век; стартирането на първата програмата за колекциониране на сателитни изображения за невоенни цели със свръхвисока пространствена разделителна способност IKONOS на корпорацията Space Imaging в края на XХ век.

Анализирайки появата на значителен брой научни публикации, касаещи използването на безпилотни летателни апарати (БЛА) за граждански цели, както и появата на пазара на необходимите компоненти (летателни апарати, авионика, телекомуникация), подсказват, че вероятно предстои поредният технологичен скок в информационните технологии, а именно: масовизиране на използването на безпилотните летателни апарати, снабдени с необходимата сканираща или измерваща апаратура за набиране на разнообразна информация за пространствено обособени обекти и явления.

Състояние на проблема

Терминът „Безпилотен Летателен Апарат“ – БЛА (заимстван от Unmanned Air Vehicle или Unmanned Air System) следва да се използва само за онези летателни апарати, които носят определена научна или изследователска апаратура, чрез която се събира информация за решаването на определени, важни за обществото задачи. Едновременно с това трябва да се направи уточнението, че БЛА се асоциира с летателно средство, летящо непосредствено над земната (водната) повърхност (за разлика от автоматичните сателитни платформи), с височина на полета от няколко десетки до няколко стотици и в редки случаи хиляди метра. Погрешно е, също така, да се отъждествява БЛА с „радио управляеми летателни апарати“, „малък самолет/хеликоптер“ и пр. Това налага да се опитаме да очертаем географския ракурс от профила на термина БЛА като платформа за дистанционни изследвания. Всъщност, говорейки за професионално/научно използване на такава техника, следва да се прилага термина „Безпилотна летателна система (БЛС)“. Обединяваща три основни подсистеми.

Първата подсистема на БЛС е летателният апарат, който в зависимост от конструктивното решение може да бъде:

– Апарат с „фиксирано крило“ (с дърпащ или тласкащ вариант на пропелера);

– Апарат с „ротиращо крило“ (с разновидност от 1 до 8 ротиращи крила);

– Апарат, по-лек от въздуха (по примера на дирижабъл);

Освен изброените варианти се правят опити за конструиране на летателни апарати, използващи принципа на „махащи крила“, наподобяващи движението на крилата на птиците.

Задвижването на пропелера или ротиращото крило се осъществява от електрически двигател, двигател с вътрешно горене, горивна клетка или реактивен двигател.

Фиг. 1. Варианти на летателният сегмент на БЛА: а) фиксирано крило (тласкащ пропелер); б) ротиращо (централно разположено) крило; в) ротиращо (тип „дрон“) крило; г) тип дирижабъл.

Втората подсистема на БЛС е навигационната система, позволяваща извършването на самостоятелен (или подпомаган) контролиран полет по предварително зададен маршрут или маршрут, конструиран в момента на полет. Наличието на тази подсистема е основната подсистема, отличаваща БЛС от радио управляемите модели на летателни апарати, използвани в хоби практиката. Навигационната подсистема позволява следването на контролиран полет и обезпечава извършването на наблюдение, заснемане, измерване, пр. дейности, даващи възможност за извличане на научна информация за наличието, положението или състоянието на изследвания обект или явление. Навигационната подсистема включва: автопилот, контролиращ управляемите плоскости на летателния апарат за осъществяване на поле по маршрут, съставен от определен брой позиции в пространството, осъществяване на полет по затворен кръг около една точка и на определена височина, връщане на летателния апарат до точката, от която е започнал полета и др; устройство за определяне на местоположението (GPS), който съобщава за достигната позиция по маршрута, а също така и позицията на летателния апарат (височина и посока на полета) в момента на заснемане или измерване; устройство(а) за оценка на позицията на летателния апарат спрямо хоризонта и др.

Третата подсистема на БЛС е съставена от различни уреди и инструменти за заснемане, регистриране и измерване, на параметри за оценка на пространствените размери, позиция или състояние на различни обекти и явления. В зависимост от целите, тази подсистема може да бъде разположена само на борда на летателния апарат или да бъде съставена от два сегмента: бордови сегмент и наземен сегмент. Във втория случай бордовият сегмент е допълнен с трансмитиращ елемент, позволяващ предаването на събраната информация по телеметричен път в реално време към приемателния елемент от наземния сегмент. При наличие на трансмитиращ елемент може да се обогати и функцията и на навигационната система чрез осъществяване на обратна връзка, позволяваща визуализация на параметрите на полета и функционирането на летателния апарат.

Класификация на БЛС

Въпросът за класифицирането на БЛС при наличието на изключителното разнообразие на комбинации от трите подсистеми налага предварително да се възприеме подходящ класифициращ признак:

– Според предназначението:

за военни цели и за граждански цели;

– Според характеристиките на летателния апарат:

Клас „микро“: продължителност на полета – няколко минути; товароподемност – до 500 g.

Клас „мини“: продължителност на полета до 1-2 часа; товароподемност 1 -5 кг.

Клас „мезо“: продължителност на полета – няколко часа; товароподемност 5-15 кг.

Клас „макро“: продължителност на полета – няколко десетки часа; товароподемност 50-80 кг.

– Според конструкцията на летателния апарат:

 „фиксирано крило“;

Вертикално излитане и приземяване;

– Според типа на апаратурата, носена на борда:

БЛА за наблюдение;

БЛА за ортофотзаснемане;

БЛА за диагностициране;

БЛА за изпълнение на военни мисии (включително използването им като мишени).

Познаването на възможностите на различните системи позволява правилния подбор при подготовката за изпълнение на конкретна задача, като същото важи и обратно: всяка задача изисква правилен подбор на БЛА като система от летателен апарат, научна и навигационна апаратура.

Възможности за използване на БЛА като платформи за дистанционни изследвания

Разработването на безпилотни летателни средства съпътства развитието на самолетостроителната индустрия от годините по времето и непосредствено след Първата световна война, като основната роля е била на т.нар. „летящи торпеда“ (известни по-късно като „крилати ракети“). Първите опити, обаче са по време на Гражданската война в САЩ, когато балони с привързани взривни материали са пренасяни от въздушните течения към позициите на противниковата армия (този опит е повторен от японската армия през Втората световна война). По-късно съоръжаването на летателните апарати с радио управление води до появата на термина „радио управляем самолет“, а от края на Втората световна война и „Безпилотен летателен апарат“.

Гражданското приложение на БЛА започва от края на XX век, до тогава силно ограничавано от значимостта на тази технология за военно използване. Известна роля в забавянето в развитието на БЛА за граждански цели има и сериозното присъствие на редица проекти за гражданско използване на сателитните платформи още от началото на „космическата ера“. В последните години (от началото на XXI век) обществото до толкова свикна с непрекъснато растящия брой на приложение на сателитните дистанционни изследвания, че се породиха свръх очаквания в това отношение! В действителност сателитните дистанционни изследвания имат редица технически и технологични ограничения, най-важните от които са: ограничение от времевата разделителна способност на съответната сателитна система (платформа-сензор), ограничение от пространствената разделителна способност на сензорите, астрономически (ден/нощ) и атмосферни (облачна покривка) ограничения и др.

Всичко това стимулира развитието на идеите за гражданско използване на БЛА, което доведе индустрията за БЛА до най-бързо развиващия се клон на индустрията за технологии за дистанционни изследвания.

Към настоящия момент могат да посочат множество задачи, чието изследване и решаване предполага използването на БЛС, като всяка от тях има оперативен или/и перманентен характер:

Проект „Университетски център за въздушно наблюдение“

Ръководейки се от актуалните тенденциите в развитието на дистанционните изследвания, в Геолого-географския факултет на Софийския университет бе иницииран проект и бе утвърдено създаването на самостоятелна научно-образователната структура: Университетски център за въздушно наблюдение.

Специфичните цели на проекта са чрез трансфер на високи технологии и средства да подготвя експертен екип от преподаватели и студенти за решаването на широк кръг от задачи с прилагане на принципите за въздушно наблюдение на земната повърхност, както и интегрирането на теоретичните и практически резултати от дейността на центъра в преподавателската практика при обучението на студенти и докторанти в СУ.

Тези цели са постижими и реалистични, защото се основават на:

– Наличие на утвърдени технологии за производство на безпилотни летателни апарати – в момента на пазара на БЛА се предлага голямо разнообразие от радио управляеми модели с различни летателни и технически характеристики, позволяващи ефективно решаване на широк кръг от конкретни задачи и цели;

– Наличие на научен потенциал в ГГФ за формулиране и изпълнение на теоретични и практически задачи;

– Наличие на ентусиазъм в студентските среди от възможността за участие в дейността на центъра за въздушно наблюдение, както за подготовка на дипломни тези, така и при решаването на оперативни задачи по заснемането на конкретни обекти;

– Наличие на голям брой научни и приложни задачи както с оперативен, така и с неоперативен характер.

Освен формалните процедури по утвърждаването на центъра като самостоятелна научно образователната структура, бяха предприети стъпки и по снабдяването му с тестова апаратура за апробиране на идеите и формиране на първоначални умения в експлоатацията на специфичната техника. Възприе се закупуването на няколко броя от модел с висока физическа устойчивост и лесна експлоатация, предвид малкия опит на колектива и апаратура за наблюдение и заснемане.

Като тестов бе избран моделът „Maja“ на компанията Borjet Aeromodels с възможност за ефективен товар от 1,5 кг, време на полет – 1-1,5 часа. Обезпечаването на стабилизиране на полета, както и изпълнението на определен маршрут се постигна с използването на автопилот модел Ardupilot – ATMega328 с три основни функции: 1) подпомагане на полета в режим на радио контрол; 2) поддържане на полет по кръгова траектория с предварително зададен център, радиус и височина; 3) поддържане на полет по маршрут, съставен от предварително зададени позиции (x,y,z).

Фиг. 2. Общ вид на модела Maja – a) и автопилота- б)

Подпомагани от квалифициран инструктор в областта на радио управляемите модели, бяха осъществени първите полети с тренировъчна цел и бе тествана заснемащата апаратура. Тестовите полети се осъществяваха на височина 150 – 200 m и се изпробваше както заснемане на земната повърхност, така и осъществяване на предаване на видео изображение в реално време от борда на летателния апарат.

Фиг. 3. Изображения, получени при тестовите полети

С натрупването на опит в експлоатацията на БЛС беше иницииран проект за съоръжаване на професионална система за въздушно наблюдение и заснемане, като междувременно бе разработен и методът за 2-канално заснемане на земната повърхност. Системата включва два летателни апарата: с фиксирано крило (продължителност на полет до 1 час и товароносимост до 5 кг) и с ротиращо крило (продължително на полет до 0,5 часа и товароносимост до 0,6 кг). Навигационната система позволява осъществяване на контролиран полет за летателния апарат тип „фиксирано крило“ до 15 км., и 3 км. за летателния апарат тип „ротиращо крило“. Задачите, които ще изпълнява системата, са както в областта на видео наблюдението на територии в бедствие, така и в областта на ортофото заснемането (пространствена разделителна способност на изображението 0,05 м.), включително и генерирането на индекс на растителната покривка (NDVI) благодарение на 2-каналното заснемане.

Заснемане в диапазона 400 – 700 нм

Заснемане в диапазона 720 – 1000 нм

Генериране на индекс на растителната повърхност (NDVI)