Способи застосування безпілотних літальних апаратів під час авіаційного пошуку і рятування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Льотна академія Національного авіаційного університету

Способи застосування безпілотних літальних апаратів під час авіаційного пошуку і рятування

Г.А. Лещенко, д-р пед. наук, проф.

Я.С. Мандрик, канд. пед. наук

В.М. Стратонов, канд. техн. наук

С.А. Давидов

Лещенко Г.А., Мандрик Я.С., Стратонов В.М., Давидов С.А.

СПОСОБИ ЗАСТОСУВАННЯ БПЛА ПІД ЧАС АВІАЦІЙНОГО ПОШУКУ І РЯТУВАННЯ

За останнє десятиліття застосування безпілотної авіації набуло вражаючих масштабів. БпЛА використовують у різних галузях життєдіяльності людини, від військової до сільськогосподарської, при цьому напрями залучення БпЛА постійно розширюються, цим самим задовольняючи потреби споживачів.

Не є виключенням й галузь авіаційного пошуково-рятувального забезпечення польотів. Дана потреба у першу чергу була зумовлена економічними чинниками та потребою підвищення ефективності проведення пошуково-рятувальних робіт. У даній оглядовій статті авторами проводиться аналіз основних способів застосування БпЛА під час авіаційного пошуку і рятування. Актуальність проведеного дослідження підтверджується реальними випадками застосування БпЛА під час надзвичайних ситуацій природнього походження. Зокрема ефективність такого застосування була підтверджена під час повеней на Балканах, коли завдяки залученню БпЛА вдалося уникнути мінної небезпеки, що виникла внаслідок зсуву ґрунту. Інший випадок, що вдало ілюструє актуальність дослідження мав місце під час ліквідації наслідків землетрусу у китайській провінції Юньнань. Саме з огляду на дієвість БпЛА у ліквідації надзвичайних ситуацій нами було проведено дослідження щодо типів БпЛА, які допущенні для виконання завдань Державною службою з надзвичайних ситуацій та основних завдань, що ними вирішуються. У процесі дослідження нами відзначено, що впровадження БпЛА у галузі цивільного захисту України перебуває у початковій фазі, а саме на етапі формування законодавчого базису, а їх залучення до пошукових операцій має точковий характер. У той же час аналізуючи перелік завдань, відзначимо їх широкий спектр, що охоплює більшість з можливих складових повітряної розвідки: моніторинг, розвідка, супровід аварійно-рятувальних та пошуково-рятувальних робіт, доставка малогабаритних спеціальних вантажів, медикаментів в особливо небезпечні зони НС та ін.

Поряд з завданнями, що вирішують БпЛА у статті наводиться дані щодо дальності візуального виявлення об 'єктів пошуку у звичайних умовах, вночі та на малих висотах. Також у статті аналізуються основні схеми пошуку аварійних об'єктів та потерпілих («Гребінка», «Паралельне галсування», «Квадрат, що розширюється» та «Заданий маршрут») з їх загальним оглядом. Підсумовуючи проведене дослідження, автори приходять до висновку щодо важливості навченості та натренованості операторів БпЛА, які мають відповідати професійному стандарту, адже тільки у поєднанні «сучасний БпЛА-професійний оператор» можливе досягнення максимальної ефективності.

Ключові слова: БпЛА; пошук; рятування; схема; оператор; авіація; об'єкт.

Leshchenko G., Mandryk Y., Stratonov V., Davydov S.

METHODS OF USING UAVS DURING AVIATION SEARCH AND RESCUE

During the last decade, the use of unmanned aerial vehicles has reached large scale. UAVs are used in various spheres of human life (from military to agricultural) and the areas of involvement of UAVs are constantly expanding, thereby meeting the needs of consumers. The field of aviation search and rescue support of flights is not an exception. This need was primarily due to economic factors and the need to increase the efficiency of search and rescue operations. In this review article, the authors analyze the main ways to use UAVs during aviation search and rescue.

Keywords: UAV; search; rescue; scheme; operator; aviation; object.

Вступ

Надзвичайні ситуації (НС) як природнього так і техногенного характеру постійно супроводжують людство та відбуваються вкрай непередбачувано. У зв'язку з впливом глобального потепління клімату протягом останнього десятиліття ми регулярно спостерігаємо руйнівні наслідки негоди у вигляді лісових пожеж, повеней, ураганів та ін. При чому саме через зміну клімату НС стають характерними й для нових територій. Україна не є виключенням, чому є підтвердженням масштабні лісові пожежі степових зон та лісів північних областей, зливові опади з ураганним вітром, які постійно призводять до підтоплень, зсувів ґрунту, або ж навіть повеней (характерно для гірської місцевості Карпат й площ, які є прилеглими до них, а також для причорноморських міст України).

Надзвичайні ситуації природного характеру постійно супроводжуються значними матеріальними втратами, загиблими та зниклими безвісти.

На сьогодні для проведення розвідки території НС чи пошуку визначених об'єктів (джерел НС, повітряних суден, постраждалих) залучають морально та технічно застарілі авіаційні засоби пошуку (літаки та вертольоти), які у деяких компонентах (економічність, ефективність) поступаються більш новим авіаційним засобам, що споряджені сучасним пошуковим обладнанням.

Постановка проблеми

Зважаючи на обґрунтовану вище актуальність проблеми, нами було вирішено проаналізувати окремий сегмент авіаційних засобів пошуку -- безпілотні літальні апарати (БпЛА). Безпілотна авіація є однією з найбільш перспективних напрямів розвитку багатьох галузей, а вже у деяких -- незамінною (безпекова галузь, кіноіндустрія тощо). Застосування безпілотних авіаційних платформ, споряджених сучасним всепогодним пошуковим обладнанням можна спостерігати під час більшості великих НС у країнах Європи, Північної Америки та у розвинених країнах Азії. В Україні БпЛА з недавнього часу також почали залучати до виконання пошуково-рятувальних робіт, але й натепер безпілотна компонента знаходиться фактично у стані становлення.

Розглядаючи можливості сучасних авіаційних засобів з точки зору забезпечення масштабності та безперервності пошуку і моніторингу природно-техногенних ризиків і загроз, окремо слід звернути увагу на безпілотну складову авіаційної компоненти, яка останнім часом активно прогресує завдяки розвитку аерокосмічних та інформаційно-телекомунікаційних технологій.

Необхідність швидкого й ефективного реагування на небезпеки, що пов'язані із загрозами людському життю, потребує застосування роботизованих комплексів. БпЛА є найбільш наукоємними й досконалими апаратами такого типу, що мають на сьогодні найбільше співвідношення ефективності до питомих витрат на одну годину польоту.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Дослідження, що стосуються безпілотної авіації займають окрему та ймовірну одну з ключових ніш науки авіаційного спрямування. Загалом, тема досліджень щодо БпЛА не нова та бере свій початок чи не з середини ХХ-го ст., але по-справжньому лавиноподібного характеру набула з початком ХХІ-го ст. паралельно з першими масовими випадками застосування БпЛА у військових конфліктах (Афганістан та Ірак). З того часу тема безпілотної авіації є основною для багатьох напрямів науки, в тому числі й напрям цивільного захисту й авіаційного пошуково-рятувального забезпечення.

Серед закордонних актуальних досліджень проведених на цю тематику варто відзначити напрацювання М. Полки, Ш. Птака та Л. Кузьори[1], які поряд із загальним оглядом проблематики наводять переваги впровадження спеціальних систем на БпЛА для координації пошукових операцій. Дж. Сун, Б. Лі, Ю. Цзян, досліджували ефективність автономних комплексних систем виявлення та позиціонування [2], а також Ф. Андраде, Е. Говенбург, Л. де Ліма та ін., що досліджували планування маршруту пошуку у реальному часі з використанням одразу кількох БпЛА під час пошуково-рятувальних операцій[3]. М. Сільваньї, А. Тонолі та Е. Зенеріно у своїй роботі аналізували застосування БпЛА під час лавин у гірській місцевості [4].

Вітчизняні дослідження стосовно застосування БпЛА у НС також варті уваги. Переважна більшість наукових центрів, які займаються розвитком безпілотної авіації сконцентровані у межах спеціалізованих закладах вищої освіти (Національний авіаційний університет; Харківський національний університет Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба; Національний Університет цивільного захисту України; Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля та ін.), а також на базах виробників авіаційної техніки, як то ДержККБ «Луч», ДП «Антонов», ТОВ «Укрспецсистемс» та ін. Серед останніх актуальних досліджень варто виокремити напрацювання [5-6], а також роботи Бережного A. О., Мосова С.П., Станкевича С.А, Харченко B. О. та ін.

Метою дослідження є проведення збору та аналізу інформації щодо переваг застосування БпЛА під час авіаційного пошуку та рятування з загальним оглядом основних завдань, що вирішуються протягом ліквідації НС, основних схем та способів пошуку тощо.

Виклад основного матеріалу

Увесь перелік завдань, які можливо та доцільно вирішувати за допомогою БпЛА умовно поділяється на дві групи: пошуку та спостереження (моніторингу). Завдання близькі за своєю функціональною спрямованістю та за необхідним складом апаратури на борту БпЛА, але вирішуються з застосування різних тактичних схем виконання польоту та алгоритмів керування.

Повітряний пошук та моніторинг із застосуванням встановленої на БпЛА різноманітної номенклатури фото, телевізійної, тепловізійної, інфрачервоної апаратури за своєю значимістю, оперативністю отримання і наочністю результатів є достатньо ефективним інструментальним засобом досягнення заданої мети в процесі виконання пошукових операцій.

Створення та впровадження в практику роботи ДСНС України сучасних зразків БпЛА дозволить суттєво скоротити витрати на виконання цілої низки завдань, а також позбавить необхідності застосування пілотованих літальних апаратів (ЛА) у ризикованих ситуаціях, у першу чергу, пов'язаних з ліквідацією небезпечних наслідків техногенних аварій.

Повітряний пошук та моніторинг є важливою частиною цілого комплексу заходів, спрямованих, перш за все, на попередження та запобігання надзвичайних ситуацій. Реальний інтерес для відповідних структурних підрозділів ДСНС України (Департамент запобігання надзвичайним ситуаціям; Департамент реагування на надзвичайні ситуації; Департамент організації заходів цивільного захисту; Управління авіації та авіаційного пошуку і рятування тощо), а також Державного агентства України з управління зоною відчуження можуть представляти види робіт, які доцільно виконувати із залученням БпЛА.

У більшості випадків перед повітряним пошуком та моніторингом ставляться завдання отримання інформації про місцевість і об' єкти в деякому конкретному обмеженому районі, який визначають на основі інформації, отриманої з інших каналів. Завдання повітряного пошуку та моніторингу для БпЛА зазвичай формулюється як проведення повної ідентифікації деякого, частіше прямокутного, іноді лінійно витягнутого (дорога, узбережжя, трубопровід тощо) елемента інфраструктури або ділянки місцевості з отриманням знімків місцевості на матеріальному носії.

Типовий алгоритм повітряного пошуку та моніторингу такий: БпЛА виконують політ у задані райони за програмою або під управлінням оператора. У процесі польоту БпЛА по радіоканалу передають інформацію (наприклад, телевізійну) про місцевість і об'єкти на ній на наземний пункт управління в реальному масштабі часу для її обробки.

Безпілотні літальні апарати можуть слугувати для вирішення широкого кола завдань в галузі проведення авіаційного пошуку та рятування на суші і на морі, в умовах складного рельєфу місцевості (лісисті гори, ущелини тощо).

У цьому випадку застосування БпЛА дозволить здійснювати обстеження значних територій з висоти. Це є вкрай актуально при пошуку потерпілих у результаті повеней, сходження лавин, землетрусів тощо. Використання датчиків та аналізаторів дозволить встановити місцезнаходження потерпілих під завалами, їх пошук в лісах і т. п. Необхідні характеристики БпЛА для вирішення такого роду завдань:

* камера з достатнім розширенням;

* можливість GPS наведення;

* можливість «зависання» над вказаним місцем;

* автоповернення в екстрених ситуаціях;

* підвищена автономність роботи;

* підвищена дальність управління і передачі інформації.

Безпілотні літальні апарати можуть підлітати і здійснювати зйомку в тих ситуаціях, коли дістатися до місця надзвичайної ситуації іншими способами неможливо, а людські ресурси і час обмежені. Наскільки ефективними можуть бути БпЛА, показали події, у яких літальні апарати суттєво допомогли рятувальникам.

У травні 2014 р. сталася повінь на Балканах. Кількість опадів була найбільшою за останні 120 років, що призвело до того, що великі території опинилися затопленими і сотні тисяч людей були змушені покинути свої будинки. Одним з небезпечних наслідків повені було те, що області, де з часів війни залишилися міни, змістилися через зсуви. За допомогою квадрокоптера була зроблена зйомка з повітря, яка допомогла ідентифікувати міни і проаналізувати, як зсуви вплинули на їхнє розташування в ґрунті. Завдяки зображенням, які зняв БПЛА, була створена 3Б-карта, а геостатичне моделювання показало, у яких напрямках могли переміститися міни [7].

У результаті землетрусу в Китаї (провінція Юньнань) у серпні 2014 року загинуло понад 600 осіб, 2400 осіб були поранені.

Щоб оперативно приступити до пошуків потерпілих, було вирішено використовувати два типи БпЛА: DJI S900 і DJI Phantom 2 Vision +. Завдяки безпілотним літальним апаратам можна було визначити пріоритетність пошуково- рятувальних робіт у різних районах [8].

Завдання повітряного пошуку для БпЛА вирішуються методами застосування одного з видів пошуку: контрольного (у районі), по виклику (вторинний) і на рубежі (на лінії).

Контрольний пошук являє собою обстеження заданого району БпЛА для виявлення об'єкту або встановлення його відсутності. Він проводиться в тих випадках, коли немає даних про місцезнаходження об' єкту на певний момент часу. Контрольному пошуку відповідає рівномірний розподіл вірогідних місць об' єкту в районі, що підлягає обстеженню.

Пошук за викликом представляє обстеження місця виявлення об' єкту через деякий час після того, як це виявлення відбулося. Він проводиться в тих випадках, коли є дані про місце знаходження об'єкта на певний момент часу. Пошуку за викликом відповідає нерівномірний розподіл вірогідних місць об'єкта біля точки його первинного виявлення.

Пошук на рубежі являє собою обстеження уздовж заданої лінії (дороги, трубопроводу тощо). Він проводиться у випадках, коли є дані про вірогідний курс об'єкта і ділянку його можливого перетинання через рубіж. Пошуку на рубежі відповідає рівномірний розподіл вірогідних місць перетинання об'єкта через лінію рубежу.

Критеріями ефективності пошуку можуть бути продуктивні та ймовірнісні показники. Продуктивними показниками пошуку є теоретична продуктивність пошуку, реальна продуктивність пошуку і відношення реальної продуктивності пошуку до теоретичної продуктивності.

Імовірнісними показниками пошуку є вірогідність виявлення об' єкта до заданого терміну, математичне очікування числа об'єктів, виявлених до заданого терміну, і математичне очікування часу, необхідного для виявлення об'єкта (середній час виявлення об'єкта, що очікується).

У світі існують загальновизнані принципи використання БпЛА:

¦ чітка класифікація щодо виконання польотів за правилами візуальних польотів та польотів за приладами;

¦ безпілотні літальні апарати в основному режимі має керуватися оператором, який може в будь-який час змінити траєкторію його польоту;

¦ У резервному режимі або при втраті управління з оператором, БпЛА може здійснювати автономний політ за заданою програмою та гарантувати безпеку інших користувачів повітряного простору;

¦ при виконанні польотів у контрольованому повітряному просторі, оператор БпЛА повинен мати постійний двосторонній зв'язок з відповідним органом управління повітряним рухом, використовувати стандартну фразеологію для радіообміну, при першому контакті з відповідним органом повітряного руху проголошувати, що повітряне судно -- БпЛА;

¦ при виконанні польотів за візуальними правилами оператор БпЛА має доступ до метеоінформації (прогнозовану та фактичну погоду) в районі польотів;

¦ на БпЛА повинна бути встановлена бортова система попередження зіткнення (ACAS) з іншими повітряними суднами [9].

Що ж до України, то на сьогодні застосування БпЛА у сфері цивільного захисту України перебуває у початковій фазі, переважно в експериментальному порядку, що характеризується значним рівнем розробки апаратів та їх елементів, з одного боку, та відсутністю засад застосування БпЛА у реальних технологічних процесах, з іншого.

З метою упорядкування застосування БпЛА у територіальних підрозділах ДСНС та організації їх державної реєстрації Головою ДСНС підписано наказ від 20.11.2018 № 675 «Про допуск до експлуатації БпЛА» [10].

Наказом передбачено допуск до експлуатації низки БпЛА серії Fantom, внесення їх до Реєстру державних ПС та отримання реєстраційних посвідчень.

Основними завданнями розрахунків БпЛА при проведенні пошукових та АРР є:

o обліт БпЛА зон (об'єктів) НС з метою визначення їх осередків, кордонів, масштабів, напрямків і швидкості поширення аварій (катастроф);

o виявлення вогнищ загоряння і їх координат, визначення можливих причин загоряння;

o моніторинг лісових масивів з метою виявлення ландшафтних пожеж, що загрожують населеним пунктам, а також об'єктам промисловості, енергетики тощо;

o проведення радіаційної і хімічної розвідки місцевості в заданому районі;

o інженерна розвідка районів повеней, землетрусів та інших стихійних лих;

o виявлення і моніторинг льодових заторів і розливу річок;

o моніторинг стану транспортних магістралей, нафто- і газопроводів, ліній електропередачі та інших об'єктів;

o моніторинг водних акваторій і берегової лінії, визначення меж розливу нафти і нафтопродуктів на водній поверхні і напрямки руху (поширення) нафтової плями;

o моніторинг лавинонебезпечних утворень в гірських районах, розвідка районів обвалів, селевих потоків, сходження снігових і кам'яних лавин;

o моніторинг зон НС з повітряними, морськими і річковими суднами та іншими транспортними засобами, що терплять лихо;

o визначення точних координат районів НС і постраждалих об' єктів;

o розвідка маршрутів руху сил і засобів учасників майбутніх АРР;

o проведення пошуку груп постраждалих від НС в місцях їх можливого знаходження;

o проведення пошуку постраждалих на зруйнованих об' єктах, суднах, літальних апаратах, що зазнають лиха, визначення їх координат з негайною передачею відповідної інформації керівництву штабу з ліквідації НС;

o доставка малогабаритних спеціальних вантажів і коштів, медикаментів в особливо небезпечні зони НС;

o супровід аварійно-рятувальних та пошуково-рятувальних робіт та ін. [11].

Залежно від розв'язуваного завдання на БпЛА можуть встановлюватися відповідні цільові навантаження для її виконання: газоаналізатори, прилади радіаційної або хімічної розвідки, тепловізори, відеокамери тощо.

При візуальному пошуку (з використанням відео і ІК -- камер) на БпЛА літакового типу, політ доцільно виконувати на висоті не вище 500-600 м, на БпЛА вертолітного типу -- на висоті 200-300 м над рельєфом місцевості (перешкодами, водною поверхнею).

Висота польоту може уточнюватися залежно від особливостей району пошуку, метеорологічних умов, рівня підготовки операторів і дальності виявлення об'єктів в умовах фактичної метеовидимості [3].

Таблиця 1

Дальність візуального виявлення об'єктів з літального апарату