Антенные решетки для средств связи малоразмерных летательных аппаратов

В настоящее время, развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛАбеспилотные JIA или ДПЛА — дистанционно пилотируемые ЛА) -. одно из приоритетных направлений в мировой авиапромышленности. По оценкам американских экспертов, сегодня активно занимаются проблемами создания ДПЛА около 45 стран. Среди них США, Израиль, Иран, Швеции, Бельгии, Италии, Франции, Великобритании, Германии, Австралия и др. развитые и даже развивающиеся страны.

Активность при создании ДПЛА вызвана рядом причин. Одна из них — очень широкая сфера применения современных ДПЛА. Это, в первую очередь, военное использование ДПЛА. Также возможно использование ДПЛА в гражданских целях: в промышленности, для наблюдения за каки-. ми-то объектами или состоянием окружающей среды, для передачи информации и др. Не вызывает сомнений большая перспективность использования ДПЛА в борьбе с терроризмом и наркотрафиком. Целесообразно применение ДПЛА в работе всевозможных служб спасения. Специалисты прогнозируют на ближайшие 10 лет переход от пилотируемой военной и гражданской авиационной техники к беспилотным авиационным системам во многих областях традиционного применения авиации.

Как показывает анализ тенденций развития [1- 11] прогресс в создании комплексов ДПЛА различного назначения обусловлен, прежде всего,. двумя факторами, экономическим и научно-технологическим:

— значительный рост стоимости и затрат на эксплуатацию в мирное и военное время пилотируемой авиационной техники;

— общий научно-технологический прогресс и развитие компьютерных технологий.

Экономический фактор стимулирует проведение поисковых научных и экспериментальных работ по созданию комплексов ДПЛА, позволяющих вывести человека из условий, когда с н выполнять функцию управления летательным аппаратом и одновременно подвергаться мощному физиологическому воздействию при высокой психоэмоциональной нагрузке, связанной с риском для жизни.

Анализ тенденций развития зарубежных армий свидетельствует, что в большинстве из них расширяется использование беспилотных летательных аппаратов (ДПЛА) самых различных классов и назначения. К настоящему времени накоплен значительный опыт использования комплексов ДПЛА в боевых условиях. В ходе войны с Ираком активно использовал боевые ДПЛА Иранская армия. Положительный опыт эффективного применения ДПЛА войсками НАТО на Балканах никем не скрывается. Основными боевыми задачами БАС в войне в Югославии были:

— разведка и доразведка мест дислокации Югославской армии;

— наблюдение за полем боя;

— контроль за обстановкой на территории занятой албанскими сепаратистами;

— оценка результатов применения тактической и бомбардировочной авиации НАТО при нанесении ударов по инфраструктуре Югославии.

Опыт применения ДПЛА в боевых действиях и при боевой подготовке войск говорит о том, что процесс их развития будет продолжаться. В США рассматривается вопрос о включении к 2008 году в перечень стандартного вооружения бригады сухопутных войск до 150- 200 ДПЛА оперативно-тактического назначения. Речь также идет о внедрении все более совершенных и продвинутых систем, которые вместе с уже имеющимися средствами могут значительно изменить характер ведения вооруженной борьбы, особенно в конфликтах малой и средней интенсивности.

Однако сфера применения ДПЛА не ограничивается только военной составляющей. В настоящее время они находят гражданское применение: патрулирование дорог, водных акваторий и объектов нефтяной промышленности. Не менее значительны перспективы применения различных систем ДПЛА по линии правоохранительных органов, для контроля наших протяженных границ, в том числе при организации борьбы с наркотрафиком. Не случайно одними из первых потенциалом ДПЛА заинтересовались в Министерстве по чрезвычайным ситуациям, которое более восприимчиво к новой технике, когда речь идет о борьбе за жизнь людей и предотвращение катастроф.

Особым порядком стоит антитеррористический потенциал, объективно заключенный в таком мощном средстве, как многофункциональные беспилотные летательные аппараты. В Австралии, например, создаются два типа беспилотных аппаратов для предотвращения нападений террористов на железные дороги, а также пункты добычи нефти и газа в шельфо-вой зоне на северо-западном побережье континента. Это рассматривается как долгосрочная стратегическая задача. ДПЛА будет придана способность совершать беспосадочные полеты в течение 30 часов. В США недавно образованное министерство внутренней безопасности при технической поддержке Пентагона создает управление, которое будет не только курировать растущий в нем отряд ДПЛА различного назначения, но и организовывать подготовку пилотов, обеспечивать техническое обслуживание. Оно станет также разрабатывать концепции использования каждого из имеющихся типов ДПЛА применительно к задачам, решаемым этим ведомством. Глава министерства Том Ридж недавно заявил, что беспилотные аппараты, подобные тем, какие применялись США в военной операции в Ираке, помогут в борьбе с нелегальными иммигрантами и увеличат эффективность работы пограничных служб на земле, в воздухе и на море. Не вдаваясь в детали, можно отметить, что в США намечают к 2012 году использовать в коммерческих и муниципальных службах около 8000 беспилотных аппаратов различного назначения и класса.

Таким образом, комплексы ДПЛА представляют собой перспективное направление техники. Тенденцию увеличения количества ежегодно ведущихся новых разработок в этом направлении можно увидеть на примере США. Начиная с 50-х годов прошлого столетия, в США ежегодно увеличивалось число ведущихся одновременно новых работ в области БАС, оканчивающихся постройкой опытного образца.

Имсмлм fcOJirKCioa m*ii рирлбсчок III.

• ОНА I" ш. ич wi^wi mxhwiMii XX * ф.

— r I I.

19*0.

IW.

Рис. В. 1 Количественный рост разработок ДПЛА.

В 50-х годах основными разработчиками и пользователями беспилотной техники являлись СССР, США и Франция. Опыт разработки и практического использования подобной техники в Фашистской Германии полностью заимствован США и частично СССР. В настоящее время ведущим производителями ДПЛА являются США, страны Евросоюза и Израиль Конец 20 столетия отмечен распространением беспилотной технологии на страны третьего мира — государства Ближнего Востока, Азии и более развитые государства Африки.

В настоящее время находят применение и разрабатываются ДПЛА широкой номенклатуры массы, габаритов, длительности полета и дальности действия (Табл. В.1). Авторами статьи в «Российском военном обозрении» [6] предложена следующая классификация ДПЛА:

— по массе (микро — менее 5 кгмини — менее 200 кги макси — свыше 1000 кг);

— по продолжительности нахождения в воздухе (менее 1 часа, до 3 часов, до 6 часов, до 12 часов, до 24 часов и более);

— по высоте полета (до 1км- 3 км- 9−12 кма также до 20 км).

Таким образом, на сегодняшний день, существует большое разнообразие малых ДПЛА. Большинство развитых и развивающихся стран ведет разработки в этой области, и уже обладает готовой техникой. Как видно из приведенных данных, значительный интерес вызывают аппараты малого и среднего класса. Для них характерно наличие жестких ограничений массы и габаритов используемого оборудования.

Табл. В. 1 Беспилотные аппараты различных производителей 1. Аппараты тяжелого класса (масса более 1000 кг).

Тип Длина, высота Размах крыльев масса другие.

1 RQ-4 GLOBAL HAWK (США) 13.53 (4.62) 35.42 4177.

2. DARK STAR (CIIIA) 4.57 21.03 1526.

3 ТУ-243 «Рейс» (Россия) 8.29 2.25 1400.

4 RQ-1 PREDATOR (США) 8.23 14.8 1035.

2. Аппараты среднего класса (масса от 150 до 1000 кг).

Тип Длина, высота Размах крыльев масса другие.

1 RQ-5 HUNTER (США) 6.95 (1.65) 8.9 540.

2 Checker 1.76(0.71) 3.80 223.

3 БЛА CL-289 (Франция 4.68 (0,38) 1.32 220 Типа «утка» с крестообразным крылом и.

4 Проект Корпорации «Иркут» (Россия) 4 6 200.

5 CL-289 4,68 (0,38) 1.32 220.

6 RQ-2 Pioneer (США) 4.27 5.15 189.

7 Scorpion 100−60 (Великобритания) 3.60(1.0) 4.90.

8 Crecerelle (Франция) 3.00 2.75.

9 ХАИ-112 (Украина) 2.7 3,5.

3. Аппараты гклассов «мини» и «микро» (масса менее 150 кг).

Тип Длина, высота Размах крыльев масса другие.

1 Manila («Сажем», Франция) 135.

2 FOX ТХ (Франция) 2.75 3.6 120.

3 Scorpion 60−25 Великобритания) 2.0 (0.84) 3.70.

4 «Мухатияр» (Иран) 85.

5 ХАИ-112К «Поиск-2». (Украина) 2,1 2.6.

6 Autonomous Rmax (Япония 85 Вертолетного типа.

7 Golden Eye -100(Aurora Flight Sciences) 70.

8 Dommator (CIlIA) 3.7 50.

9 Fire Scout Model 370 (Nortrop Gru-man, USA) 68 Вертолетного типа.

10 Dominator (Boeing, США) 3.7 50.

11 Apid MKIVA AND-B (Швеция) 42−58.

12 Dominator (Boemg, США) 3.7 50.

13 Dragon Drone (BAI Aerosystem Inc. 41 40 км.

14 «Эксперт» (КБ им. Яковлева, Россия) 40.

15 Silver Arrow (Elbit Systems) (Израиль) 45.

16 Spirite (AEROBOTICS Lts, Великобритания) 36.

17 мини-БЛА F-2000M (Томсон CSF) 32 вертолетного типа.

18 «ГРАНТ» (Россия) 2 3 24 70 км.

19 МБК мониторинга фирмы «Кулон-2» (Россия) 1.7 (0.67) 3.7 25.

20 Mantis (CSIRO, Австралия) 1.5,(0.5) беспилотный вертолет.

21 «Сова», Россия Диаметр 0.7 18 Вертолет.

22 «Ремез» (Украина) 9 До 5.20 км.

23 ASN 15 (Китай). ДПЛА носимый.

24 «Жаворонок» (Skylark, RAFAEL Израиль) 1.1,(0.12) 1.1 6 До 10 км.

25 «Skylark» 1 фирмы (Elbit Systems Израиль) 2.2 2.4 5.5 5.10 км.

26 «Seagul» (Elbit Systems Израиль) 0.8 2.14 5.5 5.10км.

27 Микроробот «Пустельга» (Россия) Менее 5 винтокрылая «летающая тарелка» с электрическим двигателем.

28 Dragon Eye (США) 2.3 До 5 км.

Собственно беспилотный летательный аппарат — это составная часть комплекса ДПЛА. Только во взаимодействии ДПЛА с наземным пунктом управления и его центральным элементом — человеком-оператором реализуется главная особенность ДПЛА — интерактивное управление. Комплекс ДПЛА, состоящий из ДПЛА и наземного пункта управления, включает в себя радиотехническую систему, обязательными элементами которой являются:

— вычислительный комплекс, состоящий из бортовой ЭМВ (БЭВМ), видеопроцессора, внешнего запоминающего устройства и интерфейсных средств;

— целевое оптико-электронное и радиолокационное оборудование;

— блок радиообмена с наземным пунктом управления блок ретрансляции (в варианте комплектации средствами ретрансляции);

— устройства навигации;

— радиоэлектронное оборудование приема и передачи команд управления.

Не затрагивая свойств всех перечисленных компонент, остановимся на технических средствах радиообмена ДПЛА с наземным пунктом управления на сегодняшний день, существует большое разнообразие устройств радиообмена, по существу представляющих собой радиомодемы. На рынке широко представлены радиомодемы с функциональными различными показателями [13- 21].

Применительно к использованию в составе относительно крупных ДПЛА можно отметить хорошо известные специалистам устройства серии AN ARC 210- 230 (США), используемые на аппаратах Predator. Для аппаратов несколько меньших размеров и радиуса действия одним из устройств, наиболее полно отвечающим требованиям к функциональным показателям, массе и габаритам, устройства фирмы DATA RADIO (Канада) -семейства Gemini PD+ .Они объединяют в себе радиостанцию — радиомодем, спутниковый навигационный приемник и мультиплексор, размещенные в едином корпусе сигналов. Как и AN ARC 210- 230 эти устройства могут обеспечить радиус действия до 300 км.

Существует ряд других аналогичных устройств, например MODEL 100 — широкополосный модем для цифровой полнодуплексной связи. Радиомодем «Integral 400» и др. При использовании соответствующих антенн они могут работать в условиях прямой видимости на расстоянии до 60- 70 км.

Для малых летательных аппаратов и аппаратов среднего класса достигнутый уровень техники также позволяет создавать аппаратуру радиообмена малой массы и габаритов. Примерами могут служить радиомодем Спектр- 433, аналоговые широкополосные радиопередатчики ТХ- 400 -600 и др. Эти и другие аналогичные им устройства имеют объем менее 0.1 .0.3 дм3 и массу не более 0.5 .1 кг. Средства радиосвязи ДПЛА гражданского назначения используют ряд разрешенных для этих целей диапазонов частот — от метрового до сантиметрового диапазонов волн. (Табл. В.2).

Таблица В. 2.

Модель Производитель Диапазон МГц / Скорость Кбит/с.

MDS 4710 Microwave Data System (США) 350- 512/ 19.2.

ТМ32/ RFM96 Pacific Crest corporation «Дэитлайн», Москва 150- 174,410- 470/9.6.

RAN 19 «Дэитлайн», Москва 400−512/ 19.2.

MDS 1400 «Дэитлайн», Москва 1350- 1535/2048.

Access Micro Link" «Дэитлайн», Москва 2400−5800 / 56.

Спектр 96 GM" ООО «Pateoc», Москва 430- 470/4.8.

APR, SRM ОАО «РодникСофт», Москва 151- 174, 403−512/19.2.

Air link L Band S Band Компания «Информсвязь», Москва 902−928, 2400- 2483 / 64.

Model 100 Race Communications, Москва 2400−5700 /56.

P-6 Фирма «Сельсофт», Шахты 394- 470/512.

Основная задача малых ДПЛА — сбор информации. В таком случае, при создании аппарата очень важным является разработка и проектирование радиолинии управления и обмена данными. Так как при недостаточном качестве или полном отсутствии получаемой с ДПЛА информации, не имеет смысла и сам запуск беспилотного летательного аппарата. Следовательно, для обеспечения успешного выполнения поставленной задачи, комплекс, состоящий из собственно ДПЛА и наземных средств, должен быть оснащен радиооборудованием, отвечающим всем, предъявляемым к нему требованиям.

Для ДПЛА малых размеров, с ограниченной мощностью бортового передатчика, вопрос об увеличения дальности действия средств радиосвязи стоит особенно остро [22- 23]. Для этих случаев характерно то, что в ДН антенн, как и в других случаях расположения антенн на объектах сложной геометрической формы, имеют место провалы, причем достаточно глубокие [24- 26]. Неравномерность ДН антенны вынуждает идти на увеличение мощности радиопередатчика, исходя из худшего случая, соответствующего наименьшему значению коэффициента усиления антенны в требуемом секторе углов. В свою очередь, увеличение мощности радиопередатчика приводит к увеличению массы аппаратуры: как самого передатчика, так и бортовых источников электропитания.

Таким образом, при создании новых комплексов ДПЛА или модернизации существующих актуальной является задача совершенствования аппаратуры радиолиний связи воздушного объекта с наземным пунктом управления при минимальных массе и габаритах аппаратуры. Один эффективных способов улучшения показателей состоит в оптимизации параметров антенн как бортовой, так и наземной аппаратуры. В последнее время работы в этом направлении проводятся [25- 31].

Целью работы является улучшение массогабаритных показателей и дальности действия бортовой аппаратуры средств связи дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА).

Задача, решаемая в диссертации, состоит в разработке методов построения бортовых и наземных антенн, обеспечивающих повышения потенциала связи, для средств малоразмерных ДПЛА. Её- решение требует решения ряда более частных взаимосвязанных задач:

— проведения анализа требований, предъявляемых к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн и оптимизации указанных требований;

— выработки критериев для оценки показателей бортовых и наземных антенн в соответствии с установленными требованиями к их электрическим характеристикам;

— разработки методов размещения бортовых слабонаправленных антенн в соответствии с выработанными требованиями и критериями;

— разработки метода построения малоэлементных некогерентных антенных решеток в качестве бортовых антенн, включая их оптимизацию в соответствии выработанными требованиями и критериями;

— разработки методов построения в соответствии с выработанными требованиями и критериями;

— проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению энергетических показателей радио средств связи с ДПЛА;

— выработки предложений по практическому использованию предложенных методов и технических решений.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. На основе проведенного анализа определены требования к характеристикам направленности бортовых и наземных антенн средств связи исходя из условий конкретного применения ДПЛА. Разработаны методики определения оптимальных ДН. Сформулированы критерии для оценки соответствия ДН антенн средств связи ДПЛА предъявляемым требованиям.

2. Предложены варианты построения наземных антенн и на основании результатов их конструктивного синтеза антенн, показана возможность достаточного приближения их характеристик к выработанным оптимальным требованиям.

3. Предложен и апробирован на модельных примерах метод размещения антенны на ЛА в соответствии с введенными критериями качества.

Показано, что его использование позволяет определить местоположение антенны, с существенно сниженными значениями глубины провалов в ДН.

4. Предложено и обосновано использование некогерентной антенной решетки с небольшим числом элементов в качестве бортовой передающей антенныпредложен и апробирован квазиоптимальный алгоритм оптимизации ее параметров в соответствие с введенными критериями качества бортовой антенны.

5. Получены количественные оценки эффективности использования некогерентных антенных решеток для повышения энергетических показателей радиолиний связи ДПЛА с наземным пунктом управления и связи. Полученные оценки могут использоваться как для выбора оптимального частотного диапазона, так и в качестве предельных оценок, позволяющих определить степень совершенства конкретных технических решений.

6. Предложены практические варианты построения бортовых некогерентных антенных решеток. Показано, что при их использовании достигается значительное улучшение энергетических показателей радиолинии связи по сравнению с традиционным выполнением антенны: в зависимости от типа антенны и диапазона частот энергетический выигрыш по сравнению с традиционным выполнением антенны от нескольких дБ для метрового диапазона до 20 дБ и более в диапазонах частот выше 1. 1.5 ГГц.