АВТОМАТИЧЕСКИЙ БЕСПИЛОТНЫЙ КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ, ОСНАЩЕННЫХ СОБСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2009 года по МПК G01M3/00 

Предлагаемый автоматический беспилотный комплекс диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой, относится к технике диагностики, а именно воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов, и может быть использован для систематического дистанционного контроля (мониторинга) состояния локальных, региональных и магистральных нефте- и газопроводов, хранилищ, высоковольтных ЛЭП, особо важных объектов, государственной границы в горной местности и других протяженных объектов.

Известна система связи и наблюдения, содержащая наземные станции с приемопередающей аппаратурой и летательные аппараты (ЛА) для размещения приемопередающей аппаратуры, выполненной с возможностью обеспечения двунаправленной передачи сигналов между указанной аппаратурой и приемопередающей аппаратурой наземных станций. На летательном аппарате установлена аппаратура наблюдения за различными объектами (RU 2118056 С1, Н04В 7/185, 20.08.98) [1].

Известна система экологического мониторинга, содержащая средства для сбора и передачи информации о состоянии различных сред, характеризующих состояние региона, контрольные пункты на предприятиях, группы датчиков экологического контроля за состоянием различных параметров среды. Датчики подключены к каналам радиосвязи и к телефонной сети для передачи информации по экологическому мониторингу на центральный пункт контроля (RU 2079891 A1, G08С 19/00, 20.05.1997) [2].

Вышеперечисленные системы предназначены для создания информационной сети объектов наблюдения, в которых многоканальные ретрансляторы сигналов обеспечивают их прием и передачу на значительные расстояния. В сети используют радиоканалы, проводные каналы, оптические каналы, инфракрасные, мультиплексные и симплексные.

Эти системы оснащены сложной аппаратурой, имеют большую стоимость изготовления и эксплуатации. Они используют громоздкие антенны, сложные системы энергопитания и сложную аппаратуру радиопередающих устройств летательных аппаратов. Приемопередающая аппаратура терминалов абонентов также сложна и требует больших затрат при ее эксплуатации. При соединении этих систем с компьютерными системами требуется дорогостоящая преобразующая аппаратура для обеспечения обмена компьютерной, телевизионной и телефонной информацией в реальном масштабе времени.

Наиболее близким к предлагаемому является "Автоматический беспилотный диагностический комплекс" (патент РФ №2256894, G01M 3/00, F17D 5/02, G01V 3/165, 2003), который и выбран в качестве прототипа [3].

Комплекс содержит дистанционно-пилотируемый летательный аппарат (самолетного типа) с планером, силовой установкой с поршневым двигателем, системой автоматического управления с блоком управления бортовыми системами, а также системой автоматического дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем. В систему автоматического управления входят инерциальная навигационная система, приемная аппаратура спутниковой навигационной системы, система воздушно-скоростных сигналов, радиовысотомер малых высот и вычислитель действительных координат. Система автоматического дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем включает приемную аппаратуру командного радиоуправления и обзорную телевизионную систему, радиоретрансляционную систему, систему автоконтроля работы бортовых систем, радиотелеметрическую систему, систему посадки и выпуска парашюта, систему управления двигателем, вычислитель системы автоматического управления, радиомаяк. В фюзеляже летательного аппарата размещена система диагностики состояния магистральных (протяженных) трубопроводов и блок управления системой диагностики. В составе комплекса предусмотрен мобильный наземный пункт управления, содержащий радиотелеметрическую систему, стартовую катапульту и пульт управления. Для обеспечения надежного обмена радиотелеметрической и командной информацией между дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом и мобильным наземным пунктом управления радиотелеметрическая система выполнена в виде двух радиостанций (бортовой и наземной), использующих дуплексную радиосвязь на двух частотах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Система диагностики состояния магистральных газопроводов содержит магнитометр, соединенный с пассивными магнитометрическими датчиками, тепловизор, лазерный газоанализатор, телевизионную систему, которые в свою очередь соединены с блоком управления системой диагностики.

Данный автоматический беспилотный диагностический комплекс при диагностике протяженных объектов имеет низкую эффективность из-за ограничений прямой радиовидимостью. Предельная дальность прямой радиовидимости на равнинной местности определяется известным соотношением:

где D - предельная дальность прямой радиовидимости, км;

Н - высота полета летательного аппарата, м;

h - высота установки наземной приемо-передающей антенны, м;

К - постоянный коэффициент (К=3,57 без учета, а К=4,12 с учетом атмосферной рефракции).

На пересеченной и в гористой местности радиовидимость D дополнительно снижается высотой препятствий, расположенных на одной прямой между точками h и Н.

Прямая радиовидимость в первую очередь необходима при дистанционном управлении летательным аппаратом (ЛА) в режиме реального времени, особенно когда она меньше его полетной дальности. Прямая радиовидимость нужна и для обеспечения маловысотного полета ЛА, позволяющего упростить и удешевить его аппаратуру бортовой системы диагностики. Для дистанционного управления летательным аппаратом за пределами прямой радиовидимости необходимо или постоянно перебазировать мобильный наземный пункт управления (МНПУ) вдоль протяженного объекта на расстояние прямой радиовидимости (что не всегда возможно), или устанавливать на этих расстояниях дополнительные наземные пункты управления (фактически стационарные НПУ), что снижает эффективность диагностики и удорожает ее. Увеличение же прямой радиовидимости между ЛА и МНПУ за счет увеличения высоты полета ЛА требует для бортовой системы диагностики роста требуемых дальности действия и разрешающей способности ее аппаратуры, что также удорожает комплекс и снижает его эффективность. При этом известный комплекс из-за проблемы радиовидимости не обеспечивает передачу информации о результатах дистанционной диагностики в режиме реального времени из любой точки протяженного объекта в его собственную информационную систему.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности автоматического беспилотного комплекса диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой, путем обеспечения дистанционного управления ЛА за пределами прямой радиовидимости, а также снижения суммарных затрат на диагностику и передачу информации о результатах диагностики в режиме реального времени из любой точки протяженного объекта в его собственную информационную систему.

Поставленная задача решается тем, что в автоматическом беспилотном комплексе диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой, содержащем дистанционно-пилотируемый летательный аппарат, включающий планер, силовую установку, систему автоматического управления с блоком управления бортовыми системами, систему автоматического дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем, бортовую систему диагностики состояния протяженных объектов, а также мобильный наземный пункт управления летательным аппаратом, радиотелеметрическую систему двунаправленной связи летательного аппарата и его мобильного наземного пункта управления, состоящую из бортовой и наземной аппаратуры, в состав комплекса дополнительно введен, по крайней мере, один комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы, установленный на протяженном объекте в пределах прямой радиовидимости с дистанционно-пилотируемого летательного аппарата при его маловысотном полете и подключенный к собственной информационной системе протяженного объекта.

Технический результат достигается также тем, что комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы подключен к собственной информационной системе протяженного объекта с установкой в последнюю программного обеспечения управления дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом и его бортовой системой диагностики состояния объектов.

Технический результат достигается также тем, что радиотелеметрическая система двунаправленной связи выполнена цифровой многоканальной, комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы размещен на мачте и подключен модемом к собственной информационной системе протяженного объекта в его ближайшем локальном пункте.

Изобретение раскрывается на фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена функциональная схема автоматического беспилотного комплекса диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой, на фиг.2 представлена схема информационно-технического взаимодействия комплекса.

Автоматический беспилотный комплекс диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой (фиг.1), содержит дистанционно-пилотируемый летательный аппарат 1 (ДПЛА 1), снабженный системами автоматического и дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем, бортовой системой 2 диагностики состояния протяженных объектов, а также мобильный наземный пункт управления 3 (МНПУ 3) летательным аппаратом. В состав комплекса также входит радиотелеметрическая система двунаправленной связи ДПЛА 1 и его МНПУ 3, состоящая из бортовой 4 и наземной 5 аппаратуры. Радиотелеметрическая система двунаправленной связи ДПЛА 1 выполнена цифровой многоканальной, например, с модулированным кодом. Для увеличения дальности связи между МНПУ 3 и ДПЛА 1 в состав комплекса дополнительно введен, по крайней мере, один комплект наземной аппаратуры 5, который установлен на протяженном объекте 6, например, на мачте 7 и подключен модемом 8 к многоканальной линии передачи данных 9 (МКЛПД 9) собственной информационной системы протяженного объекта. Сама МКЛПД 9 может быть как проводной, так и беспроводной (оптической или радио). Мачта 7 с комплектом аппаратуры 5 размещается в пределах его прямой радиовидимости с дистанционно-пилотируемого летательного аппарата при маловысотном полете ДПЛА 1. Так, для маловысотного полета ДПЛА 1 на уровне крон деревьев и высоте мачты 7 в пределах 15 метров (H=h=15 м) дальность дистанционного радиоуправления ЛА и диагностики участка протяженного объекта в режиме реального времени на равнинной местности не должна превышать 28...32 км. Комплект наземной аппаратуры 5 самого МНПУ 3 также подключен модемом 8 к МКЛПД 9 собственной информационной системы протяженного объекта.

В состав собственной информационной системы протяженного объекта входит (фиг.2) наземная система диагностики 10 на базе комплекта встроенных 11 и автономных 12 датчиков (например, контактные и бесконтактные датчики давления, расхода, температуры, перемещения, состава среды, ИК и ТВ-камер и т.п.), информация с которых по проводным и/или беспроводным каналам связи выводится на пульт 13 наземной системы диагностики. Компьютер пульта 13 осуществляет сбор, хранение, обработку и отображение данных о состоянии участка протяженного объекта 6. Встроенные датчики 11 подключены к МКЛПД 9 собственной информационной системы протяженного объекта проводными и/или радиоканалами. Автономные датчики 12 снабжены накопителем информации и маломощной радиоаппаратурой (радиомодемом) передачи информации с них на ДПЛА 1 (по запросу). Пульты 13 наземной системы диагностики расположены в локальных пунктах 14 и информационно соединены между собой МКЛПД 9 собственной информационной системы объекта. В качестве локальных пунктов 14 могут быть, например перекачивающие станции, распределительные подстанции, пульты охраны, КПП, погранзаставы и другие узловые элементы эксплуатации протяженного объекта 6.

Информационная сеть самого ДПЛА 1 включает (фиг.2) бортовую систему 2 диагностики состояния объектов, системы автоматического 15 и дистанционного 16 управления полетом летательного аппарата и работой его систем и бортовую аппаратуру 4 радиотелеметрической системы двунаправленной связи, подключенные к общей информационной шине 17 ДПЛА 1. Бортовая аппаратура 4 радиотелеметрической системы состоит из приемного 18 и передающего 19 многоканальных устройств (например, с модулированным кодом), подключенных через декодер 20 к общей информационной шине 17 ДПЛА 1. Приемное 18 и передающее 19 многоканальные устройства подключены к приемной 21 и передающей 22 антеннам соответственно. Связь бортовой 4 с наземной 5 аппаратурой радиотелеметрической системы осуществляется по каналам управления и телеметрии ДПЛА, а также управления и телеметрии бортовой системой 2 диагностики состояния объектов. Кроме того, при пролете ДПЛА 1 над участками протяженного объекта, оборудованного автономными датчиками 12, предусмотрена радиосвязь с ними бортовой аппаратуры 4 по каналам опроса и получения информации от наземной системы диагностики 10.

Информационная сеть МНПУ 3 (фиг.2) включает наземную аппаратуру 5 радиотелеметрической системы двунаправленной связи, пульт 23 управления ДПЛА и пульт управления 24 бортовой системой 2 диагностики состояния протяженных объектов, подключенные к общей информационной шине 25 мобильного наземного пункта управления 3.

Для образования единой информационно-диагностической системы ДПЛА 1 и протяженного объекта 6 информационная шина 25 и наземная аппаратура 5 радиотелеметрической системы двунаправленной связи подключены к МКЛПД 9 модемами 8 с установкой на компьютер пульта 13 программного обеспечения управления ДПЛА 1 и его бортовой системой 2 диагностики состояния протяженных объектов.

Работа автоматического беспилотного комплекса диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой, осуществляется следующим образом (фиг.1, 2).

При эксплуатации комплекса на ДПЛА 1 в соответствии с его грузоподъемностью, дальностью полета и полетным заданием устанавливается комплект бортовой системы 2 диагностики состояния протяженных объектов для дистанционного сбора информации (выполненные известными способами ТВ, ИК, РЛС, фото, радиационные, магнитометрические, лазерные сканирующие, ультрафиолетовые и другие системы в различном сочетании). После ввода электронной карты объекта, полетного задания и заправки ДПЛА 1 он совершает автоматический маловысотный полет над объектом на высоте 5...50 м со скоростью от 0 до 100...140 км/час. В каждом полете диагностируется участок протяженного объекта в пределах дальности полета ДПЛА 1. Информация о состоянии этого участка протяженного объекта 6 поступает на борт ДПЛА 1 от датчиков бортовой системы диагностики 2, а также по радиоканалам бортовой аппаратуры 4 многоканальной радиотелеметрической системы по ее запросу от автономных датчиков 12 во время пролета ДПЛА 1 над этими датчиками. Вся информация предварительно обрабатывается с помощью системы автоматического 15 и дистанционного 16 управления полетом ДПЛА 1 и «привязывается» к координатам диагностируемого участка протяженного объекта 6 в реальном масштабе времени. После чего она или транслируется непосредственно с ДПЛА 1 на МНПУ 3 в режиме реального времени через аппаратуру 4, или при отсутствии прямой радиовидимости с МНПУ 3 передается на наземную аппаратуру 5 ближайшего локального пункта 14, откуда по собственной информационной системе протяженного объекта 6 накапливается на его центральном пункте эксплуатации. В предлагаемом комплексе предусматривается повышение точности «привязки» координат ДПЛА за счет использования сигналов аппаратуры 5 ближайших локальных пунктов 14 для коррекции системы автоматического 15 и дистанционного 16 управления полетом ДПЛА 1.

Операторы ДПЛА 1 на МНПУ 3 и/или на локальных пунктах 14 отслеживают поступающую информацию в реальном масштабе времени и/или в записи. При обнаружении нештатной ситуации они выдают команду на прерывание автоматического полета и переходят на режим дистанционного управления ДПЛА. В этом режиме ДПЛА может зависнуть над интересующим участком протяженного объекта (вертолет) или кружить над ним (вертолет и самолет) для детального уточнения ситуации. При выполнении ДПЛА 1 известными способами они могут выполнять маловысотные полеты в сложных метеоусловиях, в любое время суток.

Заявляемый комплекс, при дальности действия аппаратуры 4 порядка 25...60 км, обеспечивает управление ДПЛА и получение информации мониторинга в режиме реального времени на расстояниях, ограниченных только полетной дальностью ДПЛА (для вертолетов большой полетной дальности - до 2000 км), а также количеством и соответствующей протяженностью (50...120 км) участков протяженного объекта между мачтами 7 и локальными пунктами 14. При этом дистанционное управление ДПЛА и бортовой системой диагностики 2 по всей трассе полета может осуществляться как непосредственно с пульта 23 МНПУ 3, так и с пульта 13, установленного на одном из локальных пунктов 14, для чего в собственную информационную систему протяженного объекта через компьютеры пультов 13 устанавливается соответствующее программное обеспечение.

Введение в состав собственной информационной системы протяженного объекта 6 двунаправленной аппаратуры 5 с соответствующим ее подключением (фиг.2) позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации комплекса в составе протяженного объекта за счет создания единой информационно-диагностической системы. Повышение эффективности заявляемого комплекса проявляется в:

- увеличении дальности управления ДПЛА до величины его предельной дальности полета (по запасу топлива на борту), а также передаче в режиме реального времени получаемой на всем протяжении полета информации о состоянии протяженного объекта в его собственную информационную систему;

- надежном дублировании команд управления и сообщений, которыми обмениваются ДПЛА и его наземный пункт управления при маловысотном полете;

- упрощении радиотелеметрической системы двунаправленной связи ДПЛА и его мобильного наземного пункта управления, упрощении аппаратуры системы дистанционного сбора информации состояния объекта, уменьшении потребного числа самих мобильных наземных пунктов управления летательными аппаратами.

Комплекс обеспечивает возможность максимального использования стандартных средств связи, передачу информации с высокой помехоустойчивостью на значительные расстояния. Заявленный комплекс позволяет сочетать беспроводную и проводную связь между удаленными локальными пунктами.

Техническая реализация комплекса предусматривает одновременное использование также нескольких ДПЛА 1 самолетного и/или вертолетного типа с их системами автоматического и дистанционного управления полетом, а также нескольких МНПУ 3 с радиотелеметрической системой двунаправленной связи, изготовленных известными способами.

Предпочтительным является использование в составе комплекса беспилотных вертолетов, обладающих рядом преимуществ перед самолетами:

- оптимальный мониторинг протяженных объектов, в том числе из режима висения или полета на предельно малых скоростях и высотах;

- штатный взлет и посадка на ограниченную неподготовленную площадку, в том числе штатная посадка при отказе двигателя;

- многократность применения, отсутствие неуправляемых режимов (штопор);

- эксплуатация при любом направлении ветра.

При этом в зависимости от протяженности объекта мониторинга комплекс будет включать беспилотные вертолеты малой - до 100 км, средней - до 500 км и большой - до 2000 км полетной дальности (в различном их сочетании), оснащенные соответствующей бортовой системой диагностики 2 для дистанционного сбора информации состояния протяженного объекта и прилегающих к нему территорий.

Изобретение относится к области диагностической техники, а именно воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов, и может быть использовано для систематического дистанционного контроля состояния локальных, региональных и магистральных нефте- и газопроводов, хранилищ, высоковольтных ЛЭП, особо важных объектов, государственной границы в горной местности и других протяженных объектов. Комплекс содержит дистанционно-пилотируемый летательный аппарат, включающий планер, силовую установку, систему автоматического управления с блоком управления бортовыми системами, систему автоматического дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем, бортовую систему диагностики состояния протяженных объектов. Кроме этого комплекс содержит мобильный наземный пункт управления летательным аппаратом, радиотелеметрическую систему двунаправленной связи летательного аппарата и его мобильного наземного пункта управления, состоящую из бортовой и наземной аппаратуры. В состав комплекса дополнительно входит, по крайней мере, один комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы, установленный на протяженном объекте в пределах прямой радиовидимости с дистанционно-пилотируемого летательного аппарата при его маловысотном полете и подключенный к собственной информационной системе протяженного объекта. Технический результат заключается в повышении эффективности и снижении суммарных затрат на диагностику и передачу информации о результатах диагностики в режиме реального времени из любой точки протяженного объекта в его собственную информационную систему. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автоматический беспилотный комплекс диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой, содержащий дистанционно-пилотируемый летательный аппарат, включающий планер, силовую установку, систему автоматического управления с блоком управления бортовыми системами, систему автоматического дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем, бортовую систему диагностики состояния протяженных объектов, а также мобильный наземный пункт управления летательным аппаратом, радиотелеметрическую систему двунаправленной связи летательного аппарата и его мобильного наземного пункта управления, состоящую из бортовой и наземной аппаратуры, отличающийся тем, что в состав комплекса дополнительно введен, по крайней мере, один комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы, установленный на протяженном объекте в пределах прямой радиовидимости с дистанционно-пилотируемого летательного аппарата при его маловысотном полете и подключенный к собственной информационной системе протяженного объекта.2. Автоматический беспилотный комплекс диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой по п.1, отличающийся тем, что комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы подключен к собственной информационной системе протяженного объекта с установкой в последнюю программного обеспечения управления дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом и его бортовой системой диагностики состояния объектов.3. Автоматический беспилотный комплекс диагностики протяженных объектов, оснащенных собственной информационной системой по п.1, отличающийся тем, что радиотелеметрическая система двунаправленной связи выполнена цифровой многоканальной, комплект наземной аппаратуры радиотелеметрической системы размещен на мачте и подключен модемом к собственной информационной системе протяженного объекта в его ближайшем локальном пункте.