Преимущества автоматической посадки перед ручным управлением

По имеющимся данным, c 2001 года армия США потеряла более 400 больших дронов. Помимо стоимости самого БПЛА (беспилотного летательного аппарата), ряд аварий повлекли за собой повреждения другой военной техники, зданий и сооружений, что значительно увеличило цену потерь.

Помимо боевых потерь, существенные причины аварий составляют ошибки пилотов и ненадежность канала передачи данных. Ситуацию усугубляет то, что в управлении БПЛА, в отличие от пилотируемых летательных аппаратов, появляется новый принципиальный фактор: влияние ветра. В условиях турбулентности оператору недостает скорости реакции для того, чтобы создать необходимые управляющие воздействия, что ведет к аварии.

Все информационные источники указывают, что человеческий фактор является «слабым звеном» на этапе посадки, и это звено необходимо исключить.

На этом фоне становятся очевидными преимущества автоматической посадки БПЛА, которые можно сформулировать таким образом:

• выше надежность и точность посадки;
• исключение риска связанного с человеческим фактором — оценкой посадочного положения БПЛА и скоростью реакции на внешние возмущения;
• исключение риска, связанного с ухудшением пропускной способности или потерей канала передачи данных в процессе посадки;
• учет ветра и турбулентности посадочным автопилотом;
• некритичные требования к размерам посадочной площадки.

В июне 2012 года компания General Atomics Aeronautical Systems, разработчик БПЛА Predator B/MQ-9 Reaper анонсировала первые четыре успешные выполненные полностью автоматические посадки для этого ударного БПЛА. В сентябре этого же года количество таких автоматических посадок достигло 106. В сентябре 2013 года следующая генерация тяжелых ударных БПЛА, дрон Gray Eagle выполнил уже 20000 автоматических взлетов и посадок.

Системы посадки: краткий обзор

В авиации используются следующие системы и технологии для посадки самолетов:

• ILS: Instrument Landing System;
• GPS/GLONASS
• MLS: Microwave Landing System;
• РСП: Радиолокационная система посадки;
• VBLS: Vusual Based Landing System.

При переносе этих технологий в такую область, как беспилотная авиация, возникает ряд особенностей, которые или ограничивают применение этих систем, или предоставляют дополнительное преимущество.

Классическим решением для посадки в гражданской авиации является инструментальная система ILS — Instrument Landing System, которая берет свое начало с 1929 года. С ростом интенсивности воздушного движения, возрастающими сложностями в использовании территории аэропортов и уплотнения частотного спектра, начиная с 80-х годов рассматривалась замена ILS на новую технологию сантиметровой системы посадки MLS (Microwave Landing System). Очевидные преимущества MLS по сравнению с ILS следующие:

• гораздо меньшая чувствительность к окружению: ILS испытывает серьезное влияние на точность, связанное с близлежащим расположением домов, ангаров, транспорта и других предметов, кроме того уклон поверхности и другие неровности местности могут вызывать отражения и искажать показания на борту. MLS, использующая сантиметровый диапазон вместо метрового у ILS, свободна от этих недостатков;
• ILS может использоваться только для прямых заходов на посадку с одного направления. MLS обеспечивает заход с любого направления в секторе радиомаяков; кроме этого MLS в отличие от ILS может обеспечить произвольную посадочную траекторию;
• для военных применений ценным преимуществом MLS явилась возможность создания мобильных систем посадки с возможностью быстрого развертывания на полевом аэродроме. Конструкция ILS позволяет использовать эту систему только на стационарных аэродромах.

Как ILS, так и MLS имеют схожий недостаток, который является существенным для военных применений: это активные, излучающие системы, следовательно аэродром оснащенный этими системами легко обнаружить. Кроме этого, эти системы посадки могут быть подавлены воздействием преднамеренных помех, особенно ILS.

Попытка защититься от обнаружения активных систем привела к разработке радиолокаторов класса LPI: Low Probability Intercept (низкая вероятность перехвата). Для посадки БПЛА Predator MQ-1 корпорацией Sierra Nevada был создан LPI посадочный радиолокатор TALS (Tactical Automated Landing System) диапазона 35 ГГц .

Этот всепогодный радар работает совместно с бортовым транспондером и обеспечивает автоматическую посадку БПЛА.

Несмотря на очевидные преимущества MLS по сравнению с ILS (за исключением стоимости), ожидаемая массовая замена ILS на MLS в аэропортах гражданской авиации не состоялась, поскольку появились недорогие технологии GPS. Поскольку точности спутниковой навигации недостаточно для посадки, начали внедряться основанные на GPS системы Ground-Based Augmentation System (GBAS), которые используя наземные станции привязки, позволяют повысить точность в локальном районе и передать на борт данные корректирующих поправок.

В настоящее время, применение MLS рассматривается исключительно в военной области, благодаря выигрышным характеристикам этой системы: возможность захода на посадку с любого направления, нечувствительность к условиям окружения и высокая мобильность.

В состав классической MLS также входит дальномерная система DME, которую как будет сказано далее, можно исключить. Более того, система MLS создавалась для аэродромов с высокой интенсивностью полетов, что накладывает жесткие требования к этой системе. При использовании MLS для посадки БПЛА ситуация существенно упрощается: снижаются требования к пропускной способности, мощности излучения, что ведет к снижению стоимости.

Недостаточная точность приемников GPS в целях посадки привела к созданию распределенных систем повышения точности: GPS Wide Area Augmentation System (WAAS) и её аналог — Европейская служба геостационарного навигационного покрытия EGNOS. Эти службы могут предоставить навигацию соответствующую I посадочную категории, однако чтобы использовать GPS в условиях заходов на посадку по II и III категориям, требуется точность большая, чем у этих систем. Недостаток точности усугубляет то обстоятельство, что GPS имеет худшую точность по высоте, чем по широте и долготе.
GPS/GLONASS системы уязвимы к воздействию преднамеренных помех. Тем не менее, спутниковая подсистема повсеместно используется для подхода и выхода на посадочное направление. Кроме этого, GPS/GLONASS может сформировать данные по расстоянию до торца ВВП, что позволяет исключить из состава наземного оборудования станцию DME.

Для военных аэродромов также используются радиолокационые системы посадки (РСП). Такая технология посадки, использующая ручное управление, сложно поддается автоматизации. Кроме этого, в РСП низкий темп обновления посадочной информации (1 секунда), что снижает возможности управления БПЛА в критичных ситуациях.

Старейшая технология визуальной посадки также нашла свое применение в беспилотной авиации. С развитием возможностей аппаратного и программного обеспечения и производительности алгоритмов распознавания изображений, получили распространение системы автоматической посадки VBLS — Visual Based Landing System. Данный класс систем является привлекательным в связи со следующими особенностями:

• нет наземного оборудования; для улучшения производительности достаточно оснащения аэродрома посадочными огнями или огнями PAPI. Как следствие низкая стоимость и максимально быстрое развертывание;
• система полностью пассивна, отсутствует радиоизлучение.

Действие VBLS основано на анализе изображения посадочной поверхности в реальном времени на основе как предварительно загруженных в базу данных изображений, так и на основе характерных точек местности, которые могут быть определены локально. Благодаря этому может быть осуществлена автоматическая посадка на произвольный необорудованный аэродром.

Компанией «Примариа» разработан прототип системы автоматической посадки «DinaPrim 2700», который проверен в условиях реальных взлетов и посадок БПЛА. Прототип основан на мультиплатформенной объектно — ориентированной математической модели динамического представления полета воздушного судна FDM (Flight Dynamics Model), разработанной ведущими европейскими университетами.
Автопилот работает на основе алгоритмов, учитывающих влияние турбулентности и сдвига ветра, что позволяет статистически минимизировать риск проваливания БПЛА.