Обеспечение безопасности полётов БЛА в общем воздушном пространстве.

На данный момент существуют две концепции внедрения в единое воздушное пространство БЛА [11]. Одна из них, предполагает распространение на БЛА всех существующих норм, включая, например, оснащение системами опознавания и предупреждения столкновений. Вторая концепция предлагает выделять для полётов БЛА специальные зоны.

Стремительное увеличение количества летательных аппаратов в общем воздушном пространстве непосредственно влияет на безопасность использования воздушного пространства и приводит к возможному увеличению числа авиакатастроф. Авиакатастрофа является лишь завершающей фазой процесса, приведшего к столкновению ВС с землей, препятствием или другим ВС, это, как правило, результат случайного наложения или сочетания нескольких нарушений, каждое из которых в отдельности, возможно, и не привело бы к трагическому финалу.

К опасностям, оказывающим наибольшее влияние на эффективность и безопасность применения БЛА в общем воздушном пространстве, относятся:

- разрушения БЛА при столкновении с землей,

- нанесение вреда жизни и здоровья человеку,

- столкновение в воздухе с другими летательными аппаратами.

Вторая опасность пока не представляет серьезной угрозы, однако рост максимальной взлетной массы БЛА, скорости полёта и применения в местах массового скопления людей увеличат риски. Непреднамеренное нанесение ущерба жизни и здоровью людей и имуществу на земле может произойти в основном из-за потери управляемости и сбоев в передачи данных.

В целях стимулирования модернизации конструкции требуется разработать нормы летной годности для БЛА, представляющих реальную опасность. Установить процедуры сертификации конструкции БЛА, аналогичные для пилотируемых ВС.

Третья опасность является следствием «слепоты» БЛА, т.к. на его борту нет человека, а системы теленаблюдения и линии передачи данных пока не позволяют увидеть летательный аппарат, реализовать эксплуатацию по правилам визуальных полетов – весьма сложно. Этой проблемы не существует при выполнении полётов по правилам полётов по приборам (ППП). В результате полеты по правилам визуальных полётов (ПВП) могут выполняться только в специальном выделенном воздушном пространстве, что резко снижает эффективность и привлекательность использования БЛА.

Одним из самых распространенных нарушений, завершающихся тяжелым авиационным происшествием, является несоблюдение норм эшелонирования[22], приводящее к опасным сближениям. К счастью, не всегда опасное сближение ВС приводит к катастрофе. Ситуация, приводящая к нарушению норм эшелонирования, если не изменить пространственно-временные траектории участвующих в ней ВС – называется потенциально конфликтной ситуацией (ПКС). Если ПКС обнаружена заранее, то можно устранить опасность перехода ПКС в критическую ситуацию, своевременно приняв необходимые меры.

Потенциальная конфликтная ситуация между пилотируемым ВС и БЛА или между двумя БЛА выявляется на основании прогноза их движения.

Ниже представлен пример прогнозирования ПКС в горизонтальной плоскости:

Управляемое движение воздушного судна в горизонтальной плоскости описывается стандартизированной для навигационных расчетов, системой обыкновенных уравнений [11]:

=   (1.1)

Здесь, x'– производная координаты положения ВС по оси OX (направлена на север); z’ – производная координаты положения ВС по оси OZ (направлена на восток); Ψ’ – производная путевого угла, угол отсчитывается по часовой стрелке от оси OX; β – управление ВС, боковое ускорение с заданным (по модулю) ограничением βmax; V – скорость ВС. В рассматриваемой паре для каждого ВС заданы величины  β1max, β2max,V1, и V2, причём скорости их движения полагаются постоянными. В соответствии с правилами и нормативными документами задается величина допустимого расстояния Rs между ВС.

Для простоты описания алгоритмов используем следующую условную систему координат (рисунок 1.1). Условно полагается, что ВС с меньшей скоростью всегда имеет номер 1 и движется на Север по оси своей трассы, направление которой всегда задается как Ψ1Tr=Ψ1=0. ЛА с большей скоростью движения всегда присвоен номер 2, его трасса пересекает трассу движения ВС 1 и имеет направление Ψ2Tr=Ψr

В этой системе координат в начальный момент t0=0 заданы также начальные позиции первого x10, z10 и второго x20, z20 ВС. В момент Тр наибольшего сближения ВС в прогнозе на рисунке отмечаются следующие параметры ПКС:

Рисунок 1.1

где xp1, z1p, и x2p, z2p,- позиции ВС, жирной линией показан вектор Rp относительно расстояния (линии визирования) между ними, углы ориентации φ1 и φ2 этого вектора относительно осей трасс. Жирные сплошные стрелки отмечают вектора скоростей V1 и V2 движения ВС; длины стрелок условно отражают величины этих скоростей. Векторы V1pr и V2pr (жирные пунктирные стрелки) показывают проекции соответствующих скоростей ВС на линию визирования 1-2. В момент наступления потенциально конфликтной ситуации V1pr-V2pr=0, т.е. производная расстояния между ВС равна нулю.

В принятой модели равномерного движения ВС момент Тр наибольшего сближения и наступления возможного потенциального конфликта совпадает с моментом равенства нулю производной R’=0 их относительного движения R(t). Расчет этого момента выполняется по следующей формуле [11]:

              (1.2)

Расчёт параметров наихудшего сближения:

- положение ВС:

                                                                         (1.3)

;        (1.4)

- минимальное расстояние Rp

                                                          (1.5)

- вспомогательный угол φ1:

 

                                                (1.6)

     
                                                 (1.7)

- вспомогательный угол φ

 
                                                    (1.8)

                                                             (1.9)

-точка пересечения трасс

                                                                                    (1.10)

Далее проверяется основное условие:

Если Rp≥Rs, то ПКС отсутствует; в противном случае, потенциальный конфликт обнаружен.

На основании прогноза выбирается схема разрешающего манёвра, и рассчитываются его параметры[11]. Манёвр по построению гарантированно обеспечивает требуемое безопасное расстояние на всем интервале времени сближения и расхождения самолётов. Требования к маневру:

- разрешение ПКС должно выполняться манёвром только одного ВС из потенциально конфликтующей пары, если потенциально конфликтная ситуация возникла между пилотируемым ВС и БЛА, манёвр должен выполнить беспилотный летательный аппарат. Манёвр, разрешающий ПКС, появившуюся в вертикальной плоскости, может выполняться, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

- манёвру предписывается «S - образная» структура; он должен состоять из участка активного «уклонения», обеспечивающего безопасное расстояние, участка прямолинейного движения – «выдерживания» - при расхождении (здесь задается временной интервал прямолинейного движения с постоянным путевым углом и с постоянной скоростью), и участок манёвра возвращения ВС на ось его первоначальной трассы;

- для исключения наведения дополнительных ПКС манёвр в целом должен обеспечиваться на минимально необходимом боковом отклонении маневрирующего ВС от его трассы;

- манёвр в целом должен иметь минимальную продолжительность и, как результат, участки отклонения и возвращения должны выполняться за минимальное время на максимально допустимой величине управления, причем точка начала манёвра уклонения должна быть «не слишком далеко» от зоны потенциального конфликта:

- анализ и выявление возможной ПКС выполняется периодически и начинается заранее (т.е. с запасом по расстоянию и времени) при таких начальных позициях ВС, из которых разрешающий манёвр гарантировано выполняется с запасом.

Для прогнозирования ПКС и расчёта маневра по уходу от опасного сближения БЛА должны быть оборудованы высокоточным навигационным оборудованием.