Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Факультет Инженерный

Кафедра Систем автоматического управления

Направление Управление в технических системах

К защите допустить:

Зав. кафедрой_____________д.т.н., проф. Гайдук А.Р.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

На тему: Система управления горизонтальными движениями БЛА

Руководитель работы: д.т.н., проф. Гайдук А.Р.

Консультанты:

по экономическому разделу к.э.н. Курданов М.Д.

по разделу безопасности и экологичности Сербулова Т.Н.

Студент (ка): Гочияева Мадина Асхатовна, гр.241

Кисловодск 2017

Реферат

Ключевые слова: система управления, БЛА, движение, синтез, математическая модель, микроконтроллер, безопасность, экономическое обоснование.

Данная выпускная квалификационная работа посвящена разработке системы управления горизонтальными движениями БЛА.

В первом разделе проекта выводиться математическая модель объекта управления на основе заданных уравнений движения.

Во втором разделе синтезируется и исследуется система управления продольным и поперечным движением БЛА на постоянной высоте.

В третьем разделе моделируется система управления.

В четвертом разделе осуществляется реализация системы управления, описывается выбранный микроконтроллер и датчик.

Пятый и шестой разделы посвящены вопросам безопасности, экологичности и технико-экономическому обоснованию разработанной системы.

• Оглавление
• Введение
• 1. Особенности БЛА, как объекта управления
• 1.1 Классификация БЛА по принципу полета
• 1.2 Общие технические требования к комплексам БЛА
• 1.3 Требования к составу комплекса с БЛА
• 1.4 Математическая модель БЛА
• 2. Синтез систем управления БЛА
• 2.1 Задача синтеза системы управления БЛА
• 2.2 Метод аналитического синтеза систем управления
• 2.3 Синтез УУ продольным движением
• 2.4 Синтез управления поперечным движением БЛА
• 2.5 Разработка алгоритма предотвращение столкновений
• 3. Моделирование системы управления
• 3.1 Исследование линейных движений БЛА
• 3.2 Исследование алгоритма предотвращения столкновений БЛА
• 4. Реализация устройства управления
• 4.1 Программа сбора и первичной обработки аналоговой информации
• 4.2 Проверка на достоверность
• 4.3 Классификация измерительных преобразователей
• 4.4 Выбор контроллера для управления движением БЛА
• 5. Безопасность и экологичность
• 5.1 Безопасное применение системы
• 5.2 Ограничения по углу атаки или коэффициенту подъемной силы
• 5.3 Экологичность работы
• 6. Технико-экономическое обоснование
• 6.1 Маркетинговые исследования
• 6.1.1 Исследование спроса
• 6.1.2 Оценка конкурентоспособности
• 6.1.3 Подход к ценообразованию
• 6.2 Выбор аналога
• 6.3 Расчет интегрального технического показателя качества
• 6.4 Расчет полной себестоимости и отпускной цены изделия
• 6.4.1 Расчет расходов на оплату труда
• 6.4.2 Расчет стоимости изделия
• 6.4.3 Расчет основной заработной платы
• 6.4.4 Калькуляция полной себестоимости
• 6.4.5 Определение возможной рыночной цены
• 6.5 Расчет капиталовложений (расходы на разработку и внедрение в производство изделия)
• 6.6 Расчет плановых финансовых результатов (выручки, прибыли)
• 6.7 Расчет показателей экономической эффективности инвестиционной разработки
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) успешно применяется для решения все более широкого круга задач. В настоящее время БЛА используются: в лесном хозяйстве, в энергетике и связи, в МЧС а также в охранной деятельности. БЛА также используются военными для выполнения боевых задач, например, обнаружение позиций противника и его стратегических объектов, нанесение ударов по живой силе противника или по технике, что во многом упрощает ведение боевых действий.

В настоящее время существует множество определений о БЛА, но устоявшихся и более точных определений до сих пор нет. Вот представлены наиболее точно и подробно описывающее определения.

Беспилотный летательный аппарат (БЛА) -- это летательный аппарат без экипажа на борту, способный самостоятельно перемещаться в пространстве для выполнения различных функций в автономном режиме (с помощью собственной управляющей программы) или с помощью дистанционного управления осуществляемого человеком оператором или с диспетчерского пункта управления.

Существуют БЛА различных типов по принципу создания подъемной силы: реактивные, пропеллерные или винтокрылые аппараты. Существуют как мало заметные аппараты малых, компактных размеров, так и БЛА больших размеров, близких к самолётным размерам. Применяемые для разведки и аэрофотосъёмки БЛА могут маскироваться под птиц, в таком случае они называются «дрон». Преимущества БЛА заключаются в отсутствие пилота и систем для его жизнеобеспечения, управления и вывода информации, что позволяет реализовать БЛА меньших размеров. Обычно БЛА работает не отдельно, а в составе комплекса (). В этот комплекс могут входить центр управления полетами, диспетчерские пункты, ретрансляторы, станции подзарядки аккумуляторов, средства перевозки, запуска и посадки БЛА.

Беспилотные летательные аппараты могут быть дистанционно управляемыми или автономными. Дистанционно управляемые появились раньше, чем автономные. Полностью автономные беспилотные аппараты встречаются пока редко. На самом деле автономность не является полной: в основном оператор имеет возможность переводить его на ручное дистанционное управление или корректировать поведение аппарата в полете [1].

Беспилотные летательные аппараты классифицируются по среде их функционирования, которой может быть:

- космос (с подразделением на околопланетные орбиты, межпланетное пространство, атмосферу планет и поверхность планет);

- воздух (земная атмосфера);

- суша (городская дорожная сеть, рельсовые линии, пустыня, лес, горы, заснеженные поля и т.д.);

- водная среда (с подразделением на водную поверхность и подводное пространство);

- подземная среда (это подземные каналы и коммуникации, включая трубопроводы и скважины, а также неразработанную породу).

Области применения БЛА. В настоящее время беспилотные летательные аппараты широко применяются во многих странах мира для решения самых разных и достаточно сложных задач. Сфера применения БЛА практически не имеет границ.

Сферы использования БЛА разделяют по назначению на военные и гражданские. БЛА подразделяются вначале по укрупненным сферам использования, а именно - для научных целей и для прикладных целей; последние же подразделяются на БЛА для военного и гражданского применения (рис.1).

В научной сфере БЛА используются для получения новых знаний, причем не имеет значения то, из какой области эти знания и где они потом будут применены. Это могут быть испытания новой техники, в том числе исследование новых принципов полета или наблюдения за природными явлениями.

Рисунок 1- Укрупненное представление сфер применения БЛА

беспилотный летательный управление движение

В гражданской области БЛА применяются практически в безграничном спектре. Отрасли и потребители услуг, предоставляемых с помощью БЛА, также самые разные: от сельского хозяйства и строительства до нефтегазового сектора и сектора безопасности, а также научные организации, рекламные компании, средства массовой информации. Ниже представлен перечень крупных групп назначений разнообразного использования гражданских БЛА.

- Строительство. В настоящее время в строительной сфере широко используются беспилотные летательные аппараты для аэрофотосъемки. Беспилотный летательный аппарат способен выполнить облет участка под застройку по заданным координатам на карте и сделать панорамные аэрофотоснимки, которые необходимы для дальнейшего проектирования коттеджного поселка или целого микрорайона. Многие строительные компании используют фотосъемку с воздуха на всех этапах строительства. Аэрофотосъемка и видеосъемка строящегося объекта позволяет застройщику объективно оценить выполненные работы, увидеть отклонения от задания и вовремя сделать необходимые изменения. Контроль строительных работ с помощью ДПЛА способен заметно увеличить темпы строительства и повысить качество.

- Сельское хозяйство. В сельском хозяйстве аэросъемка является одним из важнейших источников информации для проведения земельных работ. С помощью аэрофотосъемки определяются размеры полей, рельеф местности, расположение и контуры озер, рек, болот, проходящих рядом дорог. Кроме этого, беспилотный летательный аппарат способен сфотографировать состояние посева, его равномерность и густоту.

- Чрезвычайные ситуации, аварии и катастрофы. Беспилотные летательные аппараты способны оказать эффективную информационную поддержку с воздуха при чрезвычайных ситуациях, природных и техногенных катастрофах. БЛА с вертикальным взлетом и посадкой приводятся в готовность за максимально короткие сроки (5-10 мин). Это позволяет оперативно приступить к поисково-спасательным работам и координации действий наземных сил. Кроме наблюдения и передачи видеоинформации на пульт управления с места проведения работ, беспилотники вертолетного типа могут доставлять необходимые спасательные средства, медикаменты, продукты питания удаленным группам спасения и пострадавшим во время бедствия.

- Промышленная безопасность. На многих опасных производствах, например, в химической промышленности, аварийный выброс отравляющих веществ может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому особое внимание на таких предприятиях уделяется промышленной безопасности. С появлением в продаже дистанционно пилотируемых летательных аппаратов меры безопасности можно значительно усилить. Беспилотник способен выполнить полет по запланированному маршруту в периметре опасного производства и автоматически вернуться в стартовую точку вылета. Оператор имеет возможность задать в программе полета поворотные пункты маршрута, с указанием того, какие замеры, отборы и другие действия необходимо произвести в каждой точке на территории предприятия.

- Страхование и оценка повреждений. Для того, чтобы оценить масштабы последствий ЧС, в последнее время, не редко применяют беспилотные летательные аппараты вертолетного типа с установленными на них техническими средствами для аэрофотосъемки и видеонаблюдения. Обследование наземной обстановки в режиме зависания над объектами позволяет детально изучить характер разрушений, оценить повреждения зданий и техники.

- Экологический мониторинг. В связи с открытием большого количества новых опасных производств, а также периодическим авариями на действующих предприятиях экологическая обстановка во всем мире не становится лучше. Поэтому одним из основных способов сохранения экологического баланса является дополнительный контроль производственной деятельности промышленных предприятий. Для этих целей во многих странах мира используются беспилотные летательные аппараты. С помощью камер видеонаблюдения они способны показывать обстановку на объектах в режиме реального времени, передавая всю информацию в центры экологического контроля.

- Энергетика. В мировой практике дистанционно пилотируемые летательные аппараты широко применяются для наблюдения линейных объектов топливно-энергетического комплекса. Ранее обследования трубопроводов выполняли с вертолетов, что является неоправданно дорогим занятием. Теперь эта функция выполняется беспилотными средствами авиации. С помощью специального оборудования, которое устанавливается на ДПЛА, производится поиск утечек газа, нефти и нефтепродуктов. Беспилотники способны обнаружить на ранней стадии дефекты трубопроводов (ТП), а именно, нарушение глубины залегания ТП, нарушение геометрических характеристик ТП и выход его на поверхность, обводнение трубопроводов. Такой воздушный контроль, в большинстве случаев, позволяет вовремя предотвратить возможные аварийные ситуации и избежать ликвидации их последствий.

- Недвижимость. Презентация земельных участков под застройку, готовых коттеджных поселков и построенных многоэтажных зданий с помощью аэрофотоснимков, сделанных в лучшем ракурсе, заметно повышает интерес у покупателей. Такой способ продажи недвижимости уже давно используется в риэлтерском бизнесе. С помощью дистанционно пилотируемого летательного аппарата можно очень быстро сделать качественные фотографии продающихся объектов с высоты птичьего полета. И к тому же это будет значительно дешевле, чем аэросъемка с вертолета или самолета. В дальнейшем полученные снимки используются при создании фотоотчетов, красочных рекламных буклетов, а также для эффективного продвижения и продажи строящегося жилья. Благодаря своим способностям, БЛА может зависать в воздухе над объектом и делать живописные, красивые панорамные снимки вида из окна на уровне любого, еще даже не построенного, этажа. Выгодная подача фото и видео материала позволяет произвести яркое впечатление на покупателей и инвесторов. В свою очередь, это дает возможность компании эффективно выделиться среди конкурентов и увеличить количество продаж.

- Архитектура. Аэрофотосъемка имеет ряд очень важных преимуществ по сравнению со съемкой архитектурных объектов с земли. Снимки, сделанные с помощью ДПЛА, позволяют охватить довольно большую площадь снимаемого участка. Высокая детализация фотоснимков архитектурного сооружения достигается за счет высококачественного оборудования, установленного на беспилотном аппарате. Качественная аэрофотосъемка позволяет выделить историческую достопримечательность на фоне других малозначимых объектов.

- Телевидение, кино и реклама. При съемке фильмов и телепередач часто требуются кадры, выполненные с воздуха. Эффективным и экономически целесообразным решением является использование на съемочных площадках беспилотных аппаратов. В Голливуде уже давно отметили преимущества беспилотников перед пилотируемой техникой и с их помощью сейчас снимаются многие современные кинокартины [4].

В данной работе необходимо проанализировать особенности БЛА как объекта управления, области применения БЛА. Далее разработать законы управления продольным и поперечным движением БЛА, а также законы группового управления БЛА. На основе этих законов разработать алгоритмы цифрового управления БЛА. Провести моделирование полетом БЛА и исследование синтезированных систем управления БЛА с применением компьютера и программного пакета MATLAB, а также реализовать устройство управления.

1. Особенности БЛА как объекта управления

1.1 Классификация БЛА по принципу полета

По этому критерию все БЛА можно разделить на 5 групп (первые 4 группы относятся к аэродинамическому типу):

- БЛА с жестким крылом;

- БЛА с гибким крылом;

- БЛА с вращающимся крылом;

- БЛА с машущим крылом;

- БЛА аэростатического типа.

В перечисленных пяти групп существуют различные гибридные подклассы аппаратов, которые по принципу полета трудно отнести к какой-либо из перечисленных групп. Существует множество БЛА, которые совмещают качества аппаратов самолетного и вертолетного типов.

БЛА самолетного типа

Принцип полета БЛА с жестким крылом или самолетного типа заключается в том, что подъемная сила аппарата создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа, отличаются от других большой длительностью полета, большой максимальной высотой полета и высокой скоростью. На рис. 2 показан разведывательный БЛА RQ-4 GlobalHawk (Рис.2.). В носовой части фюзеляжа расположено радио-навигационное и локационное оборудование, связное и оптическое. Масса аппарата составляет 15 тонн, способен нести полезную нагрузку до 900 кг. Длительность полета составляет до 30 часов, а максимальная скорость составляет 640 км/ч.



Рисунок 1.1 - Разведывательный БЛА RQ-4 GlobalHawk

Для аппаратов самолетного типа обычно необходима взлетно-посадочная полоса (ВПП) (рис. 1.2а). Для некоторых типов при взлете используют стартовые катапульты (рис. 1.2б). Есть также самолетные БЛА легкого класса, запускаемые "с руки" (рис. 1.2в). При посадке может применяться ВПП, парашют (рис. 1.3) .

Рисунок 1.2а - Запуск БЛА со взлетно-посадочной полосы



Рисунок 1.2б - Запуск при помощи стартовой катапульты

Рисунок 1.2в - Ручной запуск БЛА

Рис. 1.2. Различные типы старта БЛА самолетного типа: а - запуск с ВПП; б - запуск с катапульты; в - запуск "с руки"

Рисунок 1.3 - Посадка БЛА с помощью парашюта

Взлеты и посадки классических БЛА самолетного типа - процесс довольно трудоемкий и затратный, требующий наличия специальных средств устройств запуска и посадки, поэтому разработчики новых БЛА чаще обращаются к аппаратам вертикального взлета и посадки. На рис. 1.4 показан пример кольцеплана «Air 250» - разработка ООО "Группа Эйр" (Россия, 2010)

Рисунок 1.4 - Кольцеплан «Air 250»

Это аппарат предназначен, в первую очередь для видеонаблюдения, причем диапазон работы очень широк от помещения внутри строений, лесных массивов, до горных ущелий и пещер: защищенность вентилятора корпусом-крылом делает эксплуатацию безопасной и устойчивой к контакту с препятствиями. Вертикальный взлет/посадка делают возможным применение БПЛА с ограниченных площадок и транспортных средств. Аппарат работает от двигателя внутреннего сгорания или с электромотором и аккумулятором и может развивать горизонтальную скорость до 150 км/ч.

БЛА с гибким крылом. Рассмотрим модель БЛА с гибким крылом представляют собой летательные аппараты аэродинамического типа, в которых вместо несущего крыла используется эластичная конструкция, изготовленная в основном из полимерного материала (Рис.1.5). К БЛА данного класса можно добавить парапланы и дельтапланы. Беспилотный моторизованный параплан - аппарат на основе управляемого парашюта-крыла, снабжённый мототележкой с воздушным винтом для автономного разбега и самостоятельного полёта. Крыло имеет форму прямоугольника или эллипса. Крыло может быть мягким, иметь жесткий или надувной каркас. Их основное достоинство - экономичность. Они снабжены двигателями внутреннего сгорания и способны длительное время находиться над объектом, производя видеосъемку. Для запуска требуется площадка длиной 2-3 м для короткого разбега. Недостатком беспилотных моторизованных парапланов является трудность управления ими, так как навигационные датчики не имеют жесткой связи с крылом. Ограничение на их применение оказывает также очевидная зависимость от погодных условий. Также среди экономичности нужно отметить дешевизну таких БЛА.

Рисунок 1.5 - Беспилотный мотопараплан LEAPPType I

Многовинтовые вертолеты (мультикоптеры) в настоящее время применяются для решения следующих задач:

- обнаружение радио излучающей цели. Группа БЛА, каждая единица которой оснащена приемной аппаратурой, производит пеленгацию радио излучающего объекта. Информация, полученная с двух разнесенных антенн, позволяет при использовании фазового метода, определить положение объекта. И далее производит доразведку излучающего объекта.

- создание стереоскопических изображений больших площадей, за счет установки на два БЛА камер и их согласованных действий.

- борьба с сельскохозяйственными вредителями путём распыления специальных средств группой БЛА.

- трехмерное сканирование промышленных объектов. Данный вид работ применяется при проектировании реконструкции промышленных объектов, когда необходимы точные и актуальные пространственные данные, информация о геометрии реконструируемого производства.

Рисунок 1.6 - Схема многовинтового вертолета (мультикоптера)

Поставленные задачи, безусловно, являются актуальными, потому что, используя мультикоптерами, функционирующие по разработанным в рамках ВКР алгоритмам, планируется создать программно-аппаратный комплекс конкурентный на рынке и за счёт более низкой стоимости доступный значительному кругу потенциальных покупателей.

На сегодняшний день на рынке коммерческих многороторных БЛА представлено большое количество различных моделей не высокой стоимости, в первую очередь китайских производителей. Современные полетные контроллеры таких аппаратов, как правило, способны качественно выполнять наиболее востребованные у пользователей задачи: висение в точке по координатам ГЛОНАСС/GPS, возврат на точку взлета, автономный полет по заданному пользователем маршруту по карте, следование за объектом, обзор заданного объекта (полет по траектории в виде окружности вокруг точки).

Создание программно-аппаратного комплекса способного, используя реализованные производителями серийных БЛА базовые функции, гибко управлять группой подобных аппаратов является актуальной и перспективной задачей. Данный подход позволяет на порядок снизить затраты на создание летных единиц комплекса. С точки зрения практической эксплуатации использование серийных наработок позволяет создать конкурентоспособный программно-аппаратный комплекс, имеющий перспективу на рынке. Научную значимость представляют математические модели и алгоритмы взаимодействия БЛА в группе.

Одновинтовая схема. Это летательный аппарат с приводным несущим винтом, который при подъеме аппарата вращается в горизонтальной плоскости. Вертолет движется горизонтально за счёт наклона плоскости вращения винта. Чаще всего используется классическая одновинтовая схема с хвостовым рулевым винтом. Реактивный крутящий момент у таких вертолетов уравновешивается рулевым винтом, расположенным на хвостовой балке на некотором расстоянии от оси несущего винта. Создавая тягу в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси вертолета, рулевой винт компенсирует реактивный момент. Изменяя тягу рулевого винта, можно управлять вертолетом относительно вертикальной оси. Применение беспилотных вертолетов (мультикоптеров) наиболее целесообразно для выполнения узкопрофильных задач: детальной разведки района ЧС, объекта (группы объектов), осмотра отдельных элементов строений, сооружений, в том числе и внутри них, и оценки их состояния, определения маршрутов ввода наземных аварийно-спасательных сил и координации их действий с передачей информации в реальном масштабе времени на пункт управления. [8].

1.2 Общие технические требования к комплексам БЛА

- обеспечение полной информационно-технической совместимости с системами связи и автоматизированными системами управления (АСУ);

- ведение воздушной разведки (мониторинга) с необходимой производительностью и разрешением на местности с передачей информации на пункт дистанционного управления (ПДУ) в реальном режиме времени в условиях прямой видимости:

- комплексы БЛА большой дальности и средней дальности (тяжелого и среднего класса) - на удалении не менее 250 км. от ПДУ;

- комплексы БЛА малой дальности (среднего класса) - на удалении не менее 100 км. от ПДУ;

- комплексы БЛА ближнего действия (малого класса) - на удалении не менее 5 км. от ПДУ;

- возможность применения днем и ночью, в простых и сложных метеорологических условиях;

- сохранение работоспособности и аэродинамической устойчивости БЛА в условиях воздействия отрицательных факторов (метеорологических, радиационного и химического заражений, электромагнитного излучения);

- межкомплексная совместимость ПДУ в части обработки информации, обеспечиваемая применением унифицированных протоколов обмена данными, технических средств и программно-алгоритмического обеспечения, единых с системой управления принципов построения системы связи и передачи данных;

- открытая архитектура, модульность (блочность) построения (в т. ч. применение унифицированных модулей полезной нагрузки, предусматривающая возможность их замены, ремонта и модернизации в ходе эксплуатации);

- возможность управления БЛА и приема информации от них с использованием ретрансляторов (космических аппаратов связи двойного назначения, а также пилотируемой авиации, БЛА, аэростатов);

- использование высокоскоростных (с большой пропускной способностью), широкополосных, помехоустойчивых каналов связи для передачи данных и приема команд управления;

- возможность автоматического и автоматизированного управления БЛА и его целевой нагрузкой;

- возможность изменения маршрута и профиля полета БЛА при нахождении в воздухе;

- взаимная идентификация БЛА и ПДУ комплексов, работающих в одной зоне применения;

- автоматический (автоматизированный) взлет и посадка (возвращение в район посадки) БЛА;

- обеспечение рационального сочетания автоматического (программного) и автоматизированного (с участием человека) управления БЛА и его целевой нагрузкой;

- максимально возможная унификация процессов обслуживания комплексов, а также обучения расчетов БЛА;

- наличие программно-аппаратных средств, обеспечивающих тренажную подготовку расчетов БЛА без реального использования БЛА;

- мобильность и транспортабельность;

- использование отечественных комплектующих, при необходимости - с регламентированным использованием импортных, с возможностью их последующей замены на отечественные;

- оснащение бортовым оборудованием спутниковой навигации и наблюдения типа ГЛОНАСС и др.;

- оснащение сертифицированным по требованиям безопасности информации базовым и специальным программным обеспечением;

- обеспечение возможности защиты разведывательной (специальной) и телеметрической информации, циркулирующей в комплексах с БЛА, а также помехостойкости радиоканала управления БЛА криптографическими (либо иными) средствами, сертифицированными ФСБ России по соответствующему типу;

- техническое исполнение БЛА в герметичном варианте, позволяющее садиться на водную поверхность;

- наличие программного обеспечения, позволяющего управлять БЛА не только в ручном режиме, но и задавать полетное задание на выполнение работ с возможностью автономного функционирования с помощью средств спутниковой навигационной системы типа ГЛОНАСС;

- техническое исполнение системы питания БЛА должно обеспечивать не менее 2-2,5 часов работы;

- при проведении работ в зоне чрезвычайной ситуации грузоподъемность БЛА должны обеспечивать не только возможность установки навесного оборудования (камера, тепловизор, блок детектирования и.т.д.), но и иметь ресурс для транспортировки в зону элементарных средств спасения и медикаментов: как для пострадавших, так и для спасателей.

Дополнительные требования к комплексам с БЛА.К комплексам с БЛА большой дальности (тяжелого класса):

- продолжительность полета - не более 10 часов;

- использование смешанных и сменных целевых (полезных) нагрузок различного назначения (оптико-электронной разведки, радиационной, химической и биологической (РХБ) разведки, ретрансляции информации и радиосвязи, топогеодезического и навигационного обеспечения и др.);

- возможность использования существующей аэродромной сети;

- возможность работы по морским акваториям в автоматическом режиме;

- возможность транспортирования наземным, водным, воздушным и железнодорожным транспортом.

Для комплексов с БЛА средней дальности (тяжелого и среднего класса): продолжительность полета БЛА - не более 5 часов;

- использование сменных и смешанных целевых (полезных) нагрузок различного назначения (оптико-электронной разведки, РХБ разведки, ретрансляции радиосвязи, топогеодезического и навигационного обеспечения и др.);

- возможность транспортирования наземным, водным, воздушным и железнодорожным транспортом;

- возможность работы по морским акваториям в автоматическом режиме;

- возможность безаэродромного, аэродромного (старта) - посадки, в том числе с использованием автомобильных участков дорог в зависимости от предназначения комплекса с БЛА.

Для комплексов с БЛА малой дальности (легкого и малого класса):

- обеспечение продолжительности полета БЛА - до 3 часов;

- использование сменных и смешанных целевых (полезных) нагрузок различного назначения (оптико-электронной разведки, РХБ разведки, ретрансляции радиосвязи, топогеодезического и навигационного обеспечения и др.);

- минимально возможное количество наземного оборудования комплекса, возможность применения без использования стационарной наземной инфраструктуры для обеспечения взлета-посадки.

Для комплексов с БЛА ближнего действия (малого класса):

- продолжительность полета БЛА - не менее 1часа;

- использование сменных и смешанных целевых (полезных) нагрузок различного назначения (оптико-электронной разведки, ретрансляции информации, топогеодезического и навигационного обеспечения);

- компактность комплекса, возможность транспортировки на малотоннажных автомобилях или вручную (носимый комплект должен быть весом не более 16 кг. и иметь возможность запуска с использованием носимых катапульт (запуск с руки);

- сохранение работоспособности элементов комплекса после десантирования посадочным способом и парашютным внутри парашютно-десантной тары (штатной техники подразделений).

Требования к бортовому оборудованию БЛА:

- выдача информации об обнаруженных объектах в реальном режиме времени с копированием информации на бортовой накопитель;

- использование унифицированных каналов связи и передачи данных;

- определение с высокой точностью собственных координат БЛА в пространстве, направления и скорости движения;

- сохранение устойчивости функционирования в различных климатических условиях, в условиях РХБ заражения, повышенной турбулентности атмосферы;

- обеспечение применения целевых (полезных) нагрузок различного назначения; исключение непреднамеренных помех бортовым радиоэлектронным средствам при использовании целевых (полезных) нагрузок;

- обеспечение ведения объективного контроля.

Требования к целевым (полезным) нагрузкам БЛА

Полезная нагрузка - всё оборудование БЛА, кроме планёра и двигательной установки.

Целевая нагрузка (ЦН) - часть полезной нагрузки, предназначенная для решения определённых задач, должна быть модульной и взаимозаменяемой.

Требования к средствам разведки (мониторинга):

- высокие точностные характеристики определения координат объектов, в т. ч. подвижных;

- обеспечение ведения видовой разведки (мониторинга) в различных спектральных диапазонах без смены целевых нагрузок, радиолокационной и радиотехнической разведки воздушных, наземных и надводных целей (для комплексов с БЛА большой дальности (тяжелого класса) и средней дальности (тяжелого и среднего класса);

для комплексов с БЛА малой дальности (легкого класса):

а) обеспечение автоматического слежения за одним объектом (целью);

б) обеспечение ведения видовой разведки (мониторинга) в видимом и инфракрасном диапазонах спектра без смены целевых нагрузок, радиолокационной и радиотехнической разведки наземных и надводных целей;

в) обеспечение ведения видовой разведки (мониторинга) в видимом и инфракрасном диапазонах спектра (для комплексов с БЛА ближнего действия (малого класса).

Требования к сменным модулям целевой нагрузки. Для выполнения различных целевых функций БЛА снабжаются соответствующими целевыми модулями. К наиболее распространенным относятся.

Модуль дневной гиростабилизации. Модуль с гиростабилизированной оптико-электронной системой дневного диапазона работы с уровнем стабилизации не более 300 микрорад, позволяющим получить устойчивое высококачественное изображение при крене БЛА ±45°, а также поворот ТВ-средств по тангажу на углы от +75° до минус 45° и по крену в пределах ±175° с наличием цветной ТВ-камеры с CCD - матрицей не менее 450 ТВ Л (вертикальные телевизионные линии) и объектива с десяти кратным оптическим увеличением.

Модуль ночной гиростабилизации. Модуль с гиростабилизированной оптико-электронной системой ночного диапазона работы с уровнем стабилизации не более 300 микрорад, позволяющим получить устойчивое высококачественное изображение при 11 крене БЛА ±45°, а также поворот ТВ-средств по тангажу на углы от +75° до минус 45° и по крену в пределах ±175° с наличием тепловизора с неохлаждаемой матрицей и форматом элементов 640x512 и спектральным диапазоном 8-12 мкм. При этом тепловизор должен обеспечивать инверсию цветов отображаемого изображения и его не менее чем 2-х кратное увеличение. 7.3. Модуль для получения фотоснимков с наличием цифрового фотоаппарата, содержащего матрицу не менее 11 млн. пикселей. При этом отснятые фотокадры должны сохраняться на карте памяти и быть привязаны к данным телеметрии, а также наличием цветной ТВ-камеры для предварительного обзора местности в интересующем направлении с разрешением не менее 420 ТВЛ.

Модуль газоанализации. (требования к применяемому газоанализатору обусловлены унификацией целевой нагрузкой и определяются в ходе проведения опытно-конструкторских работ).

Модуль с индикатором радиоактивности. (требования к применяемому индикатору обусловлены унификацией целевой нагрузкой и определяются в ходе проведения опытно-конструкторских работ).

Модуль целевой нагрузки для оповещения населения. (требования к применяемому индикатору обусловлены унификацией целевой нагрузкой и определяются в ходе проведения опытно-конструкторских работ).

Модуль целевой нагрузки с ретранслятором для передачи радиосигналов.(требования к применяемому индикатору обусловлены унификацией целевой нагрузкой и определяются в ходе проведения опытно конструкторских работ).

Посадочные (стыковочные) места модулей целевой нагрузки летательных аппаратов различных типов должны быть взаимозаменяемыми.

Требования к аппаратуре для ведения РХБ разведки: обнаружение в автоматическом режиме РХБ заражения и передача регистрируемого сигнала (информации) на ПДУ; для комплексов с БЛА вертолетного типа - осуществление в автоматическом режиме отбора проб с объектов окружающей среды и атмосферных аэрозолей радиоактивных веществ, биологических агентов, отравляющих веществ и паров отравляющих веществ.

Требования к аппаратуре топогеодезического обеспечения. Для комплексов с БЛА большой дальности (тяжелого класса): оперативное получение высокоточной геопространственной информации о местности на площади более 10 000 кв. км.

Для комплексов с БЛА средней дальности. (тяжелого и среднего класса): оперативное получение высокоточной геопространственной информации о местности на площади более 2 000 кв. км.

Для комплексов с БЛА малой дальности. (легкого класса): оперативное получение высокоточной геопространственной информации о местности на площади более 500 кв. км.

Для комплексов с БЛА ближнего действия. (малого класса): оперативное получение высокоточной геопространственной информации на отдельные участки местности; оперативное обеспечение средствами функциональных дополнений спасательных формирований.

Требования к ПДУ:

- прием, регистрация и отображение команд управления, передаваемых в АСУ;

- автоматизированное планирование применения БЛА;

- дистанционный контроль работоспособности БЛА при их подготовке к взлету (пуску);

- возможность внесения изменений в программу-задание БЛА и автоматизированного управления БЛА и установленной на борту целевой нагрузки на любом из этапов полета;

- прием от БЛА по радиолинии, регистрация и отображение траекторной и телеметрической информации (в том числе о работоспособности целевой нагрузки);

- сбор, отображение, анализ и автоматическая обработка данных, поступающих от целевой нагрузки БЛА;

- передача обработанных данных в системы управления, в том числе в потоковом режиме;

- простота, информативность и удобство работы со специальным программным обеспечением комплекса с БЛА;

- возможность управления БЛА ближнего действия и малой дальности (легкого,

мало-го и мини класса) в движении;

- оборудование ПДУ на базе автомобиля повышенной проходимости с полным приводом.

Требования к пунктам сбора и обработки информации

Для приема, обработки получаемой от комплексов с БЛА больших объемов разведывательной информации и доведения ее до потребителей в масштабе времени, близком к реальному, создаются пункты сбора и обработки информации (ПСОИ) в составе ЦУКС.

ПСОИ наземного базирования и должны обеспечивать:

- автоматизированное планирование применения и управление комплексами с БЛА;

- прием и автоматическую обработку информации от необходимого количества ПДУ и БЛА, находящихся в воздухе;

- управление целевой нагрузкой БЛА, находящихся в воздухе;

- выдачу информации потребителям;

- обеспечивать сопряжение с АСУ, системой разведывательно-информационного обеспечения, системами связи.

ПСОИ должны иметь открытую архитектуру, позволяющую увеличивать количество ПДУ и БЛА, от которых принимается информация.

Требования к средствам ретрансляции для обеспечения применения комплексов БЛА.

В качестве средств ретрансляции для обеспечения применения комплексов с БЛА могут использоваться космические аппараты связи двойного назначения, пилотируемая авиация, БЛА и аэростаты.

Средства ретрансляции должны обеспечивать управление и прием информации от БЛА в реальном масштабе времени с использованием унифицированных каналов связи и передачи данных.[8].

1.3 Требования к составу комплекса с БЛА

Комплекс должен быть устойчивым к химическим и радиационным воздействиям по нормам ГОСТ РВ 20.39.304-98 «Требования стойкости к внешним воздействующим факторам» и ГОСТ 21964-76 «Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики».

Типовой состав комплекса с БЛА должен включать следующие основные элементы:

- от двух и более БЛА с комплектом смененных целевых нагрузок различных типов;

- средства наземного (корабельного, воздушного) обеспечения пусков и эксплуатации БЛА;

- наземный пункт дистанционного управления БЛА - в стационарном (мобильном - на базе автомобиля повышенной проходимости с полным приводом) варианте;

- портативные (индивидуальные) терминалы, обеспечивающие прием информации от БЛА в реальном масштабе времени.

БЛА включает в себя:

- носитель (планер);

- силовую установку (двигатель);

- пилотажно-навигационное оборудование (систему автоматического управления, интегральную инерциальную навигационную систему, встроенный спутниковый приемник (для комплексов с БЛА большой и средней дальности (тяжелого, среднего класса), бортовой накопитель полетной информации и др.); технические средства обеспечения взлета (посадки);

- комплекс средств связи и передачи данных;

- комплект унифицированных модулей полезной (целевой) нагрузки;

- бортовую навигационную аппаратуру потребителя навигационных спутниковых систем типа GPS, ГЛОНАСС и др.;

- аппаратуру автоматического зависимого наблюдения;

- средства объективного контроля и др.

Состав средств наземного обслуживания (СНО) определяется с учетом класса и предназначения комплекса БЛА и должен включать средства:

- подготовки пуска и посадки БЛА;

- управления полетом, приема и обработки разведывательной информации, связи и передачи данных;

- программно-аппаратные, обеспечивающие тренажную подготовку расчетов;

- транспортировки и жизнеобеспечения.

В состав ПДУ БЛА должны входить:

- автоматизированные рабочие места управления БЛА и целевой (полезной) нагрузкой, автоматизированной (автоматической) обработки получаемой информации;

- аппаратура обмена данными с БЛА (в том числе, сбора информации от целевой (полезной) нагрузки БЛА);

- аппаратура сопряжения с АСУ, системами связи.

Требования надежности.

Беспилотный авиационный комплекс (БАК) должен иметь следующие показатели надежности в условиях и режимах эксплуатации, установленных требованиями настоящего ТЗ:

а) назначенный ресурс комплекса - 75 посадок или 100 летных часов - для каждого БЛА самолетного типа, и 75 посадок или 50 летных часов - для БЛА вертолетного типа;

б) исполнитель должен гарантировать исправную работу оборудования в течение 12 месяцев с момента передачи БАК в эксплуатацию Гензаказчику;

в) вероятность безотказной работы систем БЛА в полете не менее 0,95;

г) ремонтопригодность должна обеспечиваться взаимозаменяемостью составных частей БАК из комплектов ЗИП.

Требования к видам обеспечения.

В состав общего и системного программного обеспечения комплекса должны входить операционные системы наземной станции управления, программные средства приема, обработки и отображения информации. Допускается применение ОС «Windows» и ОС «Linux».

Требования к учебно-тренировочным средствам.

Исполнитель разрабатывает комплект учебно-технических плакатов в соответствии с ГОСТ 2.605-68 «Единая система конструкторской документации. Плакаты учебно-технические» и учебный видеофильм продолжительностью не менее 30 мин, а также электронный учебно тренировочный комплекс (имитатор) для получения операторами летной практики.

Требования к наземной станции управления (НСУ):

НСУ должна быть, выполнена на базе промышленного защищенного ноутбука с программным обеспечением и интерфейсом, позволяющим отслеживать текущее положение БЛА на карте местности и контролировать его полет с помощью набора виртуальных инструментов.

НСУ должна иметь ударопрочный пластиковый кейс со степенью защиты не ниже IP 54 для транспортировки использования и хранения, аналого-цифровой преобразователь, джойстик, трехканальный усилитель- распределитель видеосигналов.

Технические требования к ноутбуку:

не ниже процессор IntelCore i5 (или эквивалент);

ОЗУ с объемом памяти не менее 4 Гб.;

жесткий диск с объемом памяти не менее 500 Гб.;

лицензионная операционная система Windows;

степень защиты не ниже IP 54;

лицензионная антивирусная программа.

Наземная станция управления должна обеспечивать:

в автоматизированном режиме: загрузку маршрута полета, полет по заданному маршруту, отслеживание текущих координат БЛА (широта, долгота, высота) и их отображение на картографическом фоне, возвращение БЛА в точку старта;

в ручном режиме: взлет и посадку, получение команд управления от оператора, выполнение полученных команд, отслеживание текущих координат БЛА (широта, долгота, высота) и их отображение на картографическом фоне; в части самодиагностики БЛА в автоматическом режиме: диагностику состояния аккумуляторной батареи, диагностику состояния БЛА (получение данных о полете и их сохранение в базу данных на борту);

в части формирования маршрута полета БЛА: отображение карты местности района полета, ввод, редактирование и сохранение маршрута полета, загрузку ранее сформированных маршрутов полета, загрузку сформированных маршрутов полета в БЛА;

получение информации от полезной нагрузки на борту посредством подключаемых блоков радиопередачи.

НСУ должна иметь возможность передачи видеоинформации в режиме реального времени с использованием внешних каналов связи (в комплект не входят).

В состав наземных блок антенн должны входить:

- двухканальный блок приемно-передающих антенн COFDM модуляции для приема видео изображения;

- крепление на а/в и штатив с кабель удлинителем 10 м.

Требования к программному обеспечению (ПО) планирования полета, управления БЛА, получения, обработки и записи видеоинформации:

Программное обеспечение должно обеспечить:

- составление полетного задания с учетом карты высот;

- отображение местоположения БЛА на карте местности;

- не менее 400 точек полетного задания;

- совместимость всех БЛА вертолетного и самолетного типа со всеми НСУ и управление ими при помощи одной программы НСУ;

- должно иметь рабочие версии под операционную систему Linux, под операционную систему Windows, и иметь возможность управления БЛА самолетного и вертолетного типа;

- работать с картографическим материалом, представленным в формате SXF, JPEG, geoTIFF;

- возможность загрузки карт с картографических серверов;

- выполнение самодиагностики БЛА;

- возможность записи получаемого изображения на жесткий диск НСУ программу для записи и анализирования полетных файлов;

- программу эмулятор, позволяющая имитировать поведение БЛА, для самостоятельной подготовки и тренировки операторов, с возможностью выбора точки старта в любом месте, расположенном на территории Российской Федерации;

- иметь версии под ОС Windows и Linux;

- выгрузки полетного задания и телеметрии на внешний носитель информации;

- резервные копии программного обеспечения НСУ на компакт-дисках;

- загрузку полетного задания с внешнего носителя информации; одновременное хранения нескольких вариантов полетного задания для одного экземпляра БЛА;

- трансляцию видео, поступающего с камеры, установленной на БЛА;

- физическое разнесение компонентов на отдельные вычислительные машины: машина для подключения каналов связи с БЛА и машина, на которой функционирует пользовательский интерфейс оператора, взаимодействие между компонентами программного обеспечение должно быть возможно как внутри локальной сети, так и через сеть Интернет.

Программное обеспечение НСУ для ОС Windows должно быть установлено на компьютер предприятием-изготовителем.

НСУ должен иметь возможность выдачи информации на внешние устройства через выходы RCA PAL, RJ45.

Пользовательский интерфейс программы должен быть на русском языке.

Канал передачи данных и программное обеспечение должны обеспечивать безопасность и надежность информации.

Требования к математическому, программному и информационно-лингвистическому обеспечению комплексов БЛА.

Требования к математическому обеспечению:

- совместно с аппаратурой должно обеспечивать выполнение требований назначения комплекса;

- должно строиться по принципу открытой системы с возможностью наращивания и адаптации к решению новых задач;

- должно разрабатываться с учетом требований ОТТ 2.1.37-2005 (пункты 2.1...2.4) на основе системотехнических решений, полученных в ходе выполнения комплексной целевой программы «Развитие базовых 17 информационных защищенных компьютерных технологий на период до 2016 года»;

- должно реализовываться математическими методами, задаваемыми в постановках на основе утвержденных распорядительных документов и методик.

Разработка новых постановок задач ведется в установленном порядке.

Требования к программному обеспечению (ПО):

ПО должно:

- разрабатываться в соответствии с требованиями «Руководства по разработке программной продукции»;

- обеспечивать реализацию процессов и функций, подлежащих автоматизации, в том числе поддержание информационного обмена с сопрягаемыми объектами;

- представлять собой законченное программное изделие, оптимизированное в процессе разработки по составу и объему необходимых программных модулей и компонентов из исходного программного обеспечения разработки, обеспечивающее выполнение в полном объеме и с заданными характеристиками оперативности, достоверности, надежности и безопасности заданных функций в интересах должностных лиц и органов управления по функциональному предназначению и среде реализации комплекта ПО;

- обеспечивать защиту информационно-вычислительного процесса от ошибочных действий оператора, а также обеспечивать сохранность введенной в систему информации при сбоях или отказах;

- состоять из общего программного обеспечения (ОПО), общесистемного программного обеспечения (ОСПО), специального программного обеспечения (СПО) и технологического программного обеспечения (ТПО).

В состав ОПО должны входить: операционная система (ОС), система управления базой данных (СУБД), телекоммуникационное абонентское ПО, средства геоинформационных систем (ГИС).

(Примечание: в состав ОПО должны включаться только отечественные, сертифицированные по требованиям безопасности, ОС и СУБД.

ОСПО должно обеспечивать автоматизированное выполнение следующих общесистемных функций:

- обработки командно-сигнальной информации;

- документооборота;

- обеспечения системных телекоммуникаций;

- геоинформационной поддержки;

- ведения компонентов единого информационного пространства;

- администрирования информационного и программного обеспечения;

- поддержки функционирования функциональных подсистем.

СПО должно обеспечивать реализацию задач, содержание которых определяется спецификой предметной области.

СПО должно иметь модульный принцип построения и обеспечивать возможность наращивания своего состава.

Состав СПО определяется перечнем оперативно-тактических задач и моделей. Указанный перечень разрабатывается НИУ на этапе эскизно-технического проектирования, согласовывается с заинтересованными органами управления и утверждается Заказчиком.

Постановки задач СПО разрабатываются на этапе эскизно технического проектирования НИУ, согласовываются с заинтересованными органами управления и утверждается Заказчиком.

Разработка СПО должна осуществляться с учетом документации главных и генеральных конструкторов автоматизированных систем и подсистем управления звена управления.

ТПО должно включать в себя средства программной инструментальной поддержки процессов создания, внедрения и сопровождения программного обеспечения.

ПО должно быть сертифицировано по требованиям безопасности информации установленным порядком.

Для режимов работы «боевой» и «учебный» должны быть предусмотрены собственные базы данных[9].

Требования к информационному и лингвистическому обеспечению (ИЛО):

ИЛО должно обеспечивать:

- информационную и лингвистическую поддержку выполнения требований по автоматизации процессов и функций, реализуемых в средствах автоматизации комплекса;

- возможность взаимодействия операторов расчета комплекса с БЛА со средствами автоматизации;

- удовлетворение информационных потребностей расчета при выполнении возложенных на них функциональных задач при использовании средств автоматизации комплекса с БЛА;

- поддержание информационно-вычислительного процесса;

- информационную совместимость с вышестоящими органами управления и взаимодействующими объектами (перечень органов управления определяется Заказчиком).

В состав информационных средств ИЛО должны входить:

- формы входных и выходных сообщений для определения состава и формы представления должностным лицам комплекса оперативно тактической и военно-технической информации, используемой в средствах автоматизации комплекса с БЛА;

- классификаторы оперативно-тактической и военно-технической информации, используемые в обработке данных средствами автоматизации; нормативно-справочная информация, составляющая нормативную и справочную базу средств автоматизации комплекса с БЛА;

- информационная база, реализующая решения по объемам, размещению и формам хранения информации.

Средства формализации информации должны обеспечивать возможность их использования при вводе и чтении формализованной информации.

1.4 Математическая модель БЛА

При групповом управлении БЛА необходимо решать ряд сложных специфичных задач. Одной из таких задач является движение БЛА в определенном порядке, который обычно называют «строем». Для обеспечения целевого движения БЛА необходима система группового управления, которое обычно является распределенной, т.е. состоит из систем управления БЛА, входящих в группу. Эти системы управления строятся на основе математических моделей БЛА, описывающих их движения.

Уравнения движения. Рассмотрим группу, состоящую из нечетного числа БЛА, и будем предполагать, что ось Оx земной системы координат совпадает с направлением начальной траектории движения группы. В начальный момент времени продольные оси всех БЛА параллельны начальной траектории движения и совпадают с положительным направлением оси Оx. Ось Оz направлена вправо, а ось Оy вертикально - вверх.

...