Розділ 2. Теоретичні засади, експлуатації БПЛА

2.1. Загальні поняття про БПЛА

2.1.1. Основні поняття

Безпілотний літальний апарат (БПЛА або БЛА) - в загальному випадку це літальний апарат без екіпажа на борту [17].

Поняття літальний апарат включає велике число типів, у кожного з яких є свій безпілотний аналог. У пресі, коли йдеться про різкий сплеск інтересу до безпілотників і в цьому матеріалі під визначення БПЛА потрапляє вужче поняття. А саме: літальний апарат без екіпажа на борту, що використовує аеродинамічний принцип створення підіймальної сили за допомогою фіксованого або крила (Таблиця № 2.1) БПЛА літакового і вертолітного типу, що обертається, оснащений двигуном і такий, що має корисне навантаження і тривалість польоту, достатні для виконання спеціальних завдань.

Таблиця № 2.1

Типи безпілотних літальних апаратів.

Пріоритет БПЛА літакового і вертолітного типів над іншими можна проілюструвати наступною діаграмою:

Рис. 2.1. Діаграма співвідношення числа БПЛА літакового і вертолітного типів до усіх інших (за даними UVS International).

2.1.2. Управління БПЛА

Для ще точнішого визначення цих БПЛА, які розглядатимуться нижче, необхідно детальніше зупинитися на такій важливій характеристиці як спосіб управління БПЛА.

Існують наступні способи:

1) Ручне управління оператором (чи дистанційне пілотування) з дистанційного пульта управління в межах оптичного спостереження або за видовою інформацією, що поступає з відеокамери переднього огляду. При такому управлінні оператор передусім вирішує задачу пілотування: підтримка потрібного курсу, висоти і так далі.

2) Автоматичне управління забезпечує можливість повністю автономного польоту БЛА по заданій траєкторії на заданій висоті із заданою швидкістю і стабілізацією кутів орієнтації. Автоматичне управління здійснюється за допомогою бортових програмних пристроїв.

3) Напівавтоматичне управління (чи дистанційне керування) - політ здійснюється автоматично без втручання людини за допомогою автопілота по спочатку заданих параметрам, але при цьому оператор може вносити зміни в маршрут в інтерактивному режимі. Таким чином, оператор має можливість впливати на результат функціонування, не відволікаючись на завдання пілотування.

Ручне управління може бути одним з режимів для БПЛА, а може бути єдиним способом управління. БПЛА, позбавлені яких-небудь засобів автоматичного управління польотом:

- керовані по радіо авіамоделі;

- не можуть розглядатися в якості платформи для виконання серйозних цільових завдань.

Останні два способи нині є найбільш затребуваними з боку експлуатантів безпілотних систем, оскільки пред'являють найменші вимоги до підготовки персоналу і забезпечують безпечну і ефективну експлуатацію систем безпілотних літальних апаратів. Повністю автоматичне управління може бути оптимальним рішенням для завдань аерофотознімання заданої ділянки, коли треба знімати на великому видаленні від місця базування поза контактом з наземною станцією.

В той же час, оскільки за політ відповідає особа, що здійснює запуск, можливість впливати на політ з наземної станції може допомогти уникнути позаштатних ситуацій.

2.1.3. Безпілотна авіаційна система (БАС)

Для виконання спеціальних завдань, зокрема для аерознімання, БПЛА повинен розглядатися в сукупності з його приладовим оснащенням і корисним навантаженням, для чого введений термін безпілотна авіаційна система.

БАС, окрім БПЛА, складається з бортового комплексу управління, корисного навантаження і наземної станції управління.

1. Бортовий комплекс:

1) Інтегрована навігаційна система;

2) Приймач супутникової навігаційної системи;

3) Автопілот. Завдання автопілота:

* пілотування:

- автоматичний політ по заданому маршруту,

- автоматичний зліт і захід на посадку,

- підтримка заданої висоти і швидкості польоту, стабілізація

- кутів орієнтації,

- примусова посадка у разі відмови двигуна або інших серйозних неполадок,

- програмне управління бортовими системами і корисним

- навантаженням, наприклад стабілізація відеокамери і синхронізація

- за часом і координатам спрацьовування затвора фотоапарата,

- випуск парашута.

4) Накопичувач польотної інформації.

2. До корисного навантаження для завдань аерофотознімання відноситься цифрова камера, як доповнення можуть використовуватися відеокамера, тепловізор, ІК-камера.

3. Функції наземного пункту управління:

1) стеження за польотом;

2) прийом даних;

3) передача команд управління.

2.1.4. Передумови застосування БПЛА для аерознімання

Передумовами застосування БПЛА в якості нового фотограмметричного інструменту являються недоліки двох традиційних способів отримання даних ДЗЗ з допомогою космічних супутників (космічне знімання) і повітряних пілотованих апаратів (аерознімання).

Дані супутникового знімання дозволяють отримати знімки з максимальним загально доступним дозволом 0,6 м, що недостатньо для великомасштабного картування. Крім того, не завжди вдається підібрати безхмарні знімки з архіву. У разі знімання під замовлення втрачається оперативність отримання даних. Відносно компактних ділянок оператори і дистриб'ютори часто не проявляють гнучкої цінової політики.

Традиційне аерознімання, яке проводиться за допомогою літаків (Ту- 134, Ан- 2, Ан- 30Ил- 18, Cesna, L - 410) або вертольотів (Ми-8Т, Ка- 26, AS - 350) вимагає високих економічних витрат на обслуговування і заправку, що призводить до підвищення вартості кінцевої продукції.

Застосування стандартних авіаційних комплексів нерентабельне в наступних випадках:

- знімання невеликих об'єктів і малих по площі територій. В цьому випадку економічні і тимчасові витрати на організацію робіт, що доводяться на одиницю знятої площі істотно перевершують аналогічні показники при зніманні великих площ (тим більше для об'єктів, значно віддалених від аеродрому);

- При необхідності проведення регулярного знімання в цілях моніторингу протяжних об'єктів: трубопроводи, транспортні магістралі.

Отже, плюсами застосування БПЛА є:

1. Рентабельність

2. Можливість знімання з невеликих висот і поблизу об'єктів. Отримання

знімків високого дозволу.

3. Оперативність отримання знімків.

4. Можливість застосування в зонах надзвичайних ситуацій без ризику для життя і здоров'я пілотів.

Варто відмітити, що технологія аерознімання з БПЛА значною мірою відпрацьована. У теперішній час велика частина існуючих і експлуатованих БПЛА призначені для повітряної розвідки і спостереження, які здійснюються за допомогою фото - і відеознімання.

2.1.5. Фактори, що стримують розвиток ринку

1. На сьогодні розвиток ринку цивільних БПЛА, у тому числі і для потреб аерознімання, гальмується відсутністю нормативно-правової бази для інтеграції БПЛА в єдиний повітряний простір. Ця проблема не розв'язана повністю ні в одній країні світу.У Росії доки зроблені тільки перші кроки в цьому напрямі. З 1 листопада 2010 року набули чинності нові Федеральні правила використання повітряного простору Російській Федерації. Уперше в цей документ включено визначення безпілотного літального апарату, а також введені положення відносно порядку використання безпілотного літального апарату в повітряному просторі. Проте цей документ має бути доповнений поруч супутніх документів, що містять детальні правила і інструкції. Поки що, не чекаючи створення нормативно-правової бази, безпілотні системи, закуповують структури, що мають особливі повноваження (прикордонники, поліція, МНС). Нині легальні запуски БПЛА в комерційних цілях здійснюються на основі дозволу, технологія отримання якого відпрацьована компаніями-постачальниками БПЛА. При цьому відповідальність за політ лежить на операторові, який здійснює запуск.

2. Підвищена аварійність БПЛА. На сьогодні БПЛА не забезпечені системою розпізнавання перешкод і відходу від зіткнень, крім того, багато моделей оснащені не цілком досконалими автопілотами (для здешевлення вартості і зменшення ваги бортового устаткування). Ризик втрати апарату і устаткування призводить до того, що багато компанії можуть вважати за краще купувати не БПЛА, а льотний годинник у організацій, які б спеціалізувалися на безпілотних запусках.

3. Не врегульовані до кінця питання сертифікації, страхування, реєстрації.

2.1.6. Огляд моделей БПЛА, розроблених в цілях аерознімання.

Виходячи з наведеного вище, можна сформулювати ряд ознак для визначення аерознімань БПЛА.

1. Тип конструкції: БПЛА літакового або вертолітного типу.

2. Спосіб управління: автоматичний або напівавтоматичний.

3. БПЛА для аерознімання в цілях картографування повинен мати на своєму борту повноцінний автопілот, здатний витримувати параметри знімання (маршрут, кути нахилу фотоапарата, відсоток подовжнього і поперечного перекриття, висоту і так далі) навіть при малій масі апарату в широкому діапазоні метеоумов.

2. Корисне навантаження: відкалібрована цифрова автоматична фотокамера (можливо в якості доповнення відеокамера, тепловізор і ИК-камера), відсутність зайвою цільового навантаження, необхідного для військових безпілотників.

3. На сьогодні це мають бути моделі, що літають на малих висотах (у класі повітряного простору G з висотою до 4,5 км в ненаселених територіях, в межах якого планується ввести повідомний порядок польотів для малої і безпілотної авіації). Отримання дозволу на польоти в класах А і З доки можливо тільки військовими.

4. Комерційно доступні - експериментальні польоти, що витримали, і що поступили в серійне виробництво.

5. За допомогою моделі виконані фотограмметричні проекти, на які є посилання на сайті виробника, або по матеріалах проектів випущені статті. На сайті компанії є вказівка, що головним або одним з призначень є аерофотознімання.

 

2.1.6.1. Вітчизняні моделі БПЛА

У таблиці 2.2 детально розглянуті три моделі БПЛА вітчизняного виробництва розроблені спеціально для аерознімання: ZALA 421-Ф, Птеро-Е4 і Дозор- 50. Ці моделі задовільняють вище переліченим ознакам і активно застосовуються на практиці. Російські експлуатанти БПЛА вважають за краще закуповувати вітчизняні моделі, оскільки ця техніка вимагає високого рівня підтримки (тестування перед купівлею, навчання роботі з БПЛА персоналу) і оперативного сервісу (ремонт, зап. частини). Крім того, ввезення імпортних БПЛА зв'язаний з митним клопотом і отриманням дозволів (техніка потенційно може бути використана у військових цілях).

Таблиця 2.2

Вітчизняні БПЛА, розроблені спеціально для аерофотознімання

Модель	ZALA 421-Ф	Птеро-Е4	Дозор-50
Фото
Виробник	"Безпілотні системи ЗАЛУ АЕРО"(на міжнародному ринку A - LevelAerosystems) Росія, Іжевськ http://zala.aero	"АФМ-Серверс", Росія, Москва www.ptero.ru	ЗАТ "Транзас", Росія, Санкт-Петербург http://avia.transas.com
Короткий опис	Відповідаючи на потреби ринку аерофотознімання інженери компанії розробили спеціальний комплекс ZALA 421-04Ф. Комплекс розроблений на базі серійного безпілотного літака ZALA 421-04 спеціально для вирішення завдань аерофотознімання.	Комплекс Птеро на базі БЛА Птеро Е призначений для проведення аерофотознімання вдень і вночі в повністю автоматичному режимі, має як аварійне, так і про- профілактичного застосування. Призначений для рішення завдань:  Оперативною і систематичною дистанційної діагностики протяжних і площадкових об'єктів;  Картографування, паспортизації.	БЛА "Дозор-50"(раніше відомий як проект "Дозор-2") є компактною безпілотною авіаційною платформою для проведення різних видів авіаційного моніторингу як із стандартним цільовим навантаженням, так і з апаратурою замовника. БЛА "Дозор-50" з цифровою фотокамерою є ідеальне рішення для виконання робіт аерофотознімань в якості постачальника первинною фотографічною інформації.
Маса порожнього, кг	4,1	9,5
Макс. злітна маса, кг	4,5
Розмах крила, м	1,6	3,03
Тип двигуна	Електричний двигун	Вентильний електродвигун	Бензиновий двигун ДВС 3W - 106

 

 

Продовження Таблиці 2.2

Макс. дальністпольоту, км	Не менше 100
Робоча висота польоту, м	50-500	Мінімальна безпечна висота 80, до 1км (залежить від завдань)	500-1000
Практична стеля (висота), м	Не менше 3600
Час польоту, г	1.6	Електричний варіант(Птеро-Е4) - 1,5 Бензиновий варіант(Птеро_ G0) - 6
Швидкість км/год Старт	65-120	85-115 (крейсерская), 180 (максимальная)	Мінімальна безпечна - 80, крейсерська 110-130
Старт	За допомогою еластичної або механічної катапульти	Автоматичний з пневматичної катапульти	По літаковому: 100 м розгін
Приземлення	У точку старту на парашуті в автоматичному або напівавтоматичному режимі	Автоматичне на парашуті з амортизаційною подушкою	По літаковому: 100 м пробіг
Режими польоту	Політ в автоматичному або напівавтоматичному режимі	Повністю автоматичний і Напівавтоматичний з можливістю зміни траєкторії у польоті	Автоматичний і напівавтоматичний
Бортове устаткування і корисне навантаження	Цифровий фотоапарат Canon 550 D (18 мегапікселів)	Залежно від виконуваних завдань можна встановити:фотокамеру CANON 5D з різними об'єктивами; тепловізор VarioCAMhrhead 480; високоточний GPS приймач TOPCON euro 160; лазерний далекомір власної розробки до 600м з дозволом 1м; фотоспалах власної розробки для нічного знімання з висот 100-150м; або корисне навантаження вагою до 3кг з габаритами, що дозволяють розмістити у відсіку корисного навантаження.	Модуль автопілота розробки ЗАТ "Транзас Авіація", малогабаритна інерціальна система розробки ТОВ"ТранзазТелематика"вбудований ГЛОНАСС/GPS приймач, бортовий накопичувач польотної інформації, система повітряних сигналів, командна радіолінія. Відеокамера переднього огляду, фотокамера CANON 21 мегапікселів.

Продовження Таблиці 2.2

Додаткова Інформація	 Укріплений для можливості його багатократного застосування на непідготовлених майданчиках.  Плавучість БЛА.  Режим фото, відео, теплові зорного знімання.  Передача відео в режимі онлайн і запис на борту.	Один з найважчих БЛА в Росії на електричній тязі, в розробці бензиновий варіант(літо 2011г. початок досвідченої експлуатації), дальність і тривалість бензинового варіанту в 5 разів вище Ptero E4. Інші параметри аналогічні.	Нині на підставі 4-х літнього досвіду застосування БЛА Дозор- 50 в якості АФС розробляється нова більше універсальна модель БЛА "Филин-1". Заводські випробування плануються провести в період з травня по липень 2011 р.
Проекти	Різні проекти для підприємств ПЕК і силових відомств РФ.	1. У період з 14.10.2010 по 08.11.2010 виконані роботи по зніманні шахтних відвалів. 2.Виконання землевпоряджувальних робіт по СНТ "Алея Перова", розташованому в Клинском районі Московської області. 3. Участь БЛА Птеро в навчаннях по організації взаємодії і усунення складних технологічних порушень в електричних мережах в умовах низьких температур організованих Холдингом МРСК і МРСК Північного заходу у кінці вересня – початку жовтня 2009 року на території Новгородській області. Здійснені і інші проекти, інформація по яким, а також зразки даних отримуваних з БЛА Птеро доступні в комерційному відділі компанії.	Комплекс пройшов апробацію в ряду експериментальних проектів по аерозніманніі і підготовлений до серійного виробництва.

 

 

2.1.6.2. Зарубіжні розробки БПЛА

У таблиці 2.3 приведені деякі зарубіжні моделі БПЛА, призначені для аерофотознімання. Моделі були відібрані зі списку UVS International і задовольняють вище переліченим ознакам.

 

Таблиця 2.3

Зарубіжні розробки БПЛА

Виробник	Назва моделі	Фото	Розмах Крил	Масса, кг	Рабоча висота, м	Тип двигуна	ІнформацІя
SmartPlanes AB, Швеция www.smartplanes.se	SmartOne– Personal Aerial Mapping System Літак, побудованийдляаерофотознімання Невеликих територій.		1.2	1,1 (МВМ)		Елек	http://www.smartplanes.se/category/proje cts/
GatewingNV, Бельгія www.gatewing.com	Gatewing X100 Модель розроблена саме для аерофотознімання і презентована на Интергео в Кельні, 2010.			1,9		Елек	http://www.giminternational. com/news/id5349 uccessful_Photography_Trial_with_ Unmanned_Aerial_Vehicle.html
CropCam, Канада http://cropcam.com /	CropCam Призначений для проведення Аерофотознімання високого розділення і моніторингу лінійних і площадкових територій.			(МВМ)	200-600	Елек	http://www.netstyle.kz/index.php? p=data&lang_id=1&id=24&lv=2

Продовження Таблиці 2.3

C-ASTRAL d.o.o., Словенія http://c-astral.com	Bramor Призначений для аерофотознімання і моніторингу		2,3	3,6		Елек
Norut (North Research Institute), Норвегія http://uas.norut.no	CryoWing Модель спеціально розроблена для застосування в умовах крайньої півночі з низькими температурами і вітрами з метою моніторингу і картирования снігових покриттів і берегової лінії Норвегії.		3,8			Бенз	http://uas.norut.no/UAV_Remote_Sensin g/Projects.html
Geocopter B.V., Ніерланди www.geocopter.nl	Geocopter БАС вертолітного типу для цивільного застосування в цілях моніторингу надзвичайних ситуацій, а також для астосування в цілях фотограмметрії.		2,8	3,5		Бенз	http://www.geocopter.nl//documents/120 _Geocopter.pdf

 

 

На сьогодні БПЛА для аерознімання - це в основному легкі апарати з класів"мікро" до 5 кг і "міні" до 30 кг.

 

Результати аерознімання з БПЛА можуть застосовуватися в різних областях, таких як рекламному зніманні об'єктів нерухомості, різний моніторинг (екологічний, сільськогосподарський) і т.д.

Виконання аерознімання з метою професійного картографування пред'являє підвищені вимоги до вихідних даних, а саме до витримки геометричних параметрів знімання. Невеликі БПЛА економічні в експлуатації і портативні, проте менш стабільні з цієї точки зору. Як наслідок, блоки знімків, отримані з БПЛА, що володіють відмінною детальністю, яскравістю і контрастом можуть мати низьку фотограмметричну якість з точки зору традиційних фотограмметричних пакетів.

Широке застосування безпілотників для професійного картографічного аерознімання можливо при консолідації зусиль як виробників БПЛА (у тому числі виробників повноцінного бортового устаткування), так і розробників професійного фотограмметричного програмного забезпечення. З одного боку повинно підвищуватися якість знімання, з іншого боку програмні пакети мають бути допрацьовані у бік зниження вимог до вхідних даних у разі роботи зі знімками, отриманими з БПЛА.

Детальний аналіз проблем, що виникають при фотограмметричній обробці даних з БПЛА рекомендації по використовуваних камерах і засобах позиціонування, особливостях фотограмметричної обробки цих даних, приклади отримання кінцевих продуктів картографічної якості в ЦФС.