СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НЕСАНКЦИОНИРОВАННЫХ ПОЛЕТОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ МАЛОЙ АВИАЦИИ В ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ КРУПНЫХ ГОРОДОВ И КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2009 года по МПК G05D1/10 

Изобретение относится к области создания систем автоматического управления полетом в авиации с применением глобальных спутниковых навигационных систем и предназначено для использования в автоматизированных комплексах предупреждения террористических актов, реализуемых с использованием летательных аппаратов малой авиации, в отношении городских и других критически важных объектов.

В связи с нарастанием транспортных проблем в крупных городах становится эффективным и планируется использование летательных аппаратов малой авиации в целях оперативного оказания скорой медицинской помощи, ликвидации аварий и пожаров, доставки пассажиров в аэропорты и т.д.

Использование малой авиации требует как обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов, так и обеспечения безопасности критически важных объектов, в отношении которых с использованием летательных аппаратов малой авиации могут быть совершены террористические акты.

Технические средства, обеспечивающие безопасность полетов и критически важных объектов, должны обеспечить решение целевых задач в условиях помеховых факторов, характерных для промышленных мегаполисов, малой высоты полетов летательных аппаратов, в любое время суток и при любой погоде. При этом технические средства, обеспечивающие меры безопасности, не должны оказывать дополнительного вредного воздействия на окружающую среду и население, а методы противодействия террористическим актам не должны представлять угрозы для городских объектов и населения.

В настоящее время известны комплексы, предназначенные для защиты от воздушных объектов, основанные на применении локации для контроля воздушного пространства, обнаружения и сопровождения летательных аппаратов. Использование оптических (тепловых, лазерных) локационных систем для контроля воздушного пространства в условиях крупных городов нецелесообразно из-за низкой эффективности подобных систем в сложных метеоусловиях, в дневное время суток, при высокой концентрации пыли или смога. Использование всесуточных и всепогодных радиолокационных комплексов для контроля воздушного пространства также связано с необходимостью решения широкого спектра технических, экономических, экологических и правовых проблем. Особую сложность представляет контроль воздушного транспорта на малых высотах (до 100 метров), где плотная городская инфраструктура создает многочисленные теневые зоны, в которых обнаружение и сопровождение (особенно малоразмерных) летательных аппаратов становится практически нереализуемым. Для решения этой проблемы требуется развертывание сверхплотной сети радиолокационных станций, для размещения которых необходимо использование уже существующих наиболее высоких сооружений, либо строительство специальных высотных башен. Постоянное излучение многочисленных радиолокационных станций создаст угрозу для здоровья людей и негативно повлияет на условия функционирования информационных систем и устройств связи.

В патенте RU 2228543 описана система, реализующая способ предотвращения несанкционированного использования летательных аппаратов, выбранная в качестве ближайшего аналога предложенного технического решения. Известное из RU 2228543 изобретение затрудняет пилотирование летательного аппарата или создает дискомфорт при его пилотировании, что может привести к отказу от несанкционированных намерений. Достигаемым техническим результатом является предотвращение преднамеренного нанесения непоправимого ущерба особо важным объектам "методом камикадзе" летательным аппаратом, принудительно захваченным террористами, путем создания на борту условий, препятствующих изменению заданной траектории полета летательных аппаратов, затрудняющих их пилотирование, исключающих возможность прицельного наведения летательного аппарата на выбранный объект.

Для предотвращения запланированного террористического акта путем реконфигурации бортовых систем или бортовой аппаратуры на борту летательного аппарата создаются условия, препятствующие изменению заданной траектории полета, затрудняющие пилотирование, исключающие возможность прицельного наведения на выбранный объект либо создающие психологический дискомфорт при пилотировании. Система включает расположенный на борту летательных аппаратов комплекс средств бортового навигационно-информационного оборудования и комплекс наземных технических средств. Средства бортового навигационно-информационного оборудования включают бортовую навигационную аппаратуру глобальной навигационной спутниковой системы, бортовую базу аэронавигационных данных, бортовые средства текущего контроля параметров полета, блок обработки и выдачи информации о контролируемых параметрах полета. Бортовые средства текущего контроля параметров полета осуществляют контроль соответствия заданным нормам и значениям параметров технического состояния летательного аппарата, психофизического состояния членов экипажа, траектории полета, состояния датчиков несанкционированного доступа к средствам управления летательным аппаратом. Наземные технические средства включают информационно взаимоувязанные друг с другом и с бортом сопровождаемого ими самолета (например, по радиоканалу) пункты управления воздушным движением, средствами которых определяют текущие параметры движения летательных аппаратов, формируют и передают на борт команды на изменение параметров полета, вводят детерминированные программные траекторные параметры с заложенной невозможностью их изменения в процессе предполетной подготовки в бортовую базу аэронавигационных данных летательного аппарата. В процессе полета определение текущих координат и параметров движения дополнительно проводят собственными средствами летательного аппарата и средствами космического и воздушного наблюдения. В полете выявляют конфликтно-опасные летательные аппараты и отслеживают попытки их несанкционированного использования по информации об их недопустимом отклонении от детерминированной программной траектории или по тревожному сообщению с борта летательного аппарата. При нештатном изменении траектории полета на борту летательного аппарата или наземного пункта управления формируют и передают команды на реконфигурацию бортовых систем или бортовой аппаратуры летательного аппарата. После уменьшения до допустимой величины рассогласования текущих параметров полета с заданными реконфигурация отменятся.

Системе контроля несанкционированных полетов, известной из патента RU 2228543, присущи недостатки локационных систем, обеспечивающих защиту от воздушных объектов, перечисленные выше. Основным из указанных недостатков является сложность локационного контроля воздушного транспорта на малых высотах над городскими застройками из-за теневых зон, в которых обнаружение и сопровождение малоразмерных летательных аппаратов практически невозможно. Для устранения указанного недостатка требуется развертывание сверхплотной сети радиолокационных станций, создающих угрозу для здоровья людей и негативно влияющих на условия функционирования информационных систем и устройств связи.

Кроме того, известная из RU 2228543 система обладает излишней сложностью: определение текущих координат и параметров движения летательного аппарата проводят радиолокационными средствами наземных пунктов, собственными средствами летательного аппарата, средствами космического и воздушного наблюдения.

Усложняет систему и необходимость выбора в критической ситуации нужного сценария действий из большого числа возможных вариантов реконфигураций бортовых систем и бортовой аппаратуры, психологического воздействия на террористов. Кроме того, реализация любого и сценариев - затруднение пилотирования, исключение возможности прицельного наведения на выбранный объект, создание психологического дискомфорта - может привести не к отказу от совершения теракта, а спровоцировать теракт в отношении незапланированной цели или аварийную ситуацию, что в городских условиях равно сопряжено с существенными людскими и материальными потерями. К тому же, возникновение аварийной ситуации может вызвать сочетание принудительных факторов, затрудняющих пилотирование летательного аппарата, с погодными возмущениями.

Предлагаемое техническое решение позволит устранить перечисленные недостатки описанной выше системы-аналога и обеспечит

реализацию режима автоматического контроля параметров полета в реальном масштабе времени;

автоматическое отключение режима ручного управления летательным аппаратом и переход на режим беспилотного управления полетом в момент критического отклонения параметров полета от заданных значений или срабатывания датчиков несанкционированного доступа к средствам управления летательным аппаратом;

реализацию режима беспилотного управления полетом и удержания летательного аппарата в пределах области допустимых значений аэронавигационных данных на маршруте от точки критического отклонения параметров полета от заданных значений до пункта принудительной посадки;

принудительную посадку летательного аппарата в автоматическом беспилотном режиме в одном из специально оборудованных пунктов;

информационное обеспечение комплексов предупреждения террористических актов данными о параметрах полета и обстановке на борту в реальном масштабе времени.

В результате предложенное техническое решение позволит

обеспечить безопасность летательных аппаратов и городских объектов при выполнении санкционированных маршрутов;

предотвратить террористические акты с использованием летательных аппаратов малой авиации в отношении критически важных объектов;

снизить и исключить вероятность человеческих жертв и материальных потерь при предотвращении террористических актов с использованием летательных аппаратов в воздушном пространстве крупных городов;

исключить дополнительное вредное воздействие на окружающую среду и население технических средств, обеспечивающих безопасность санкционированных полетов и предотвращение терактов с использованием средств малой авиации.

Технический результат, ожидаемый от использования предложенного решения, будет достигнут при создании системы контроля и предотвращения несанкционированных полетов летательных аппаратов малой авиации в воздушном пространстве крупных городов и критически важных объектов.

Система основана на совместном использовании существующих глобальных спутниковых навигационных систем в дифференциальном режиме для реализации - в случае возникновении на борту нештатной ситуации - беспилотного полета и принудительной посадки летательного аппарата в пределах области допустимых значений аэронавигационных данных и представляет собой автоматизированный комплекс предупреждения террористических актов в отношении критически важных объектов.

Система контроля и предотвращения несанкционированных полетов летательных аппаратов малой авиации в воздушном пространстве крупных городов и критически важных объектов включает комплексы средств бортового навигационно-информационного оборудования летательного аппарата, комплекс наземных технических средств, а также орбитальные группировки космических аппаратов существующих глобальных спутниковых навигационных систем (в любой комбинации), которые входят в систему функционально.

Средства бортового навигационно-информационного оборудования включают бортовую навигационную аппаратуру, бортовую базу аэронавигационных данных, бортовые средства текущего контроля параметров полета, блок обработки и выдачи информации о контролируемых параметрах полета.

Наземные технические средства включают средства формирования и актуализации бортовой базы аэронавигационных данных, средства оперативного диспетчерского контроля параметров полета и выработки команд управления, а также средства связи с летательным аппаратом.

Средства бортового навигационно-информационного оборудования дополнительно включают модуль приема дифференциальных поправок и данных о целостности навигационных (дифференциальных сообщений), вырабатываемых локальной дифференциальной подсистемой, а также систему блокировки ручного управления и систему беспилотного управления полетом и посадкой, которые автоматически приводятся в действие в момент критического отклонения параметров полета от заданных значений или срабатывания датчиков несанкционированного доступа к средствам управления летательным аппаратом.

Бортовая навигационная аппаратура обеспечивает автоматическое местоопределение (позиционирование) летательного аппарата в режиме совместного использования сигналов существующих глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (а затем и Галилео, Бейдоу - в любой комбинации) с учетом дифференциальных сообщений для повышения точности и надежности местоопределения.

Наземные технические средства дополнительно включают средства формирования локальной дифференциальной подсистемы спутниковых навигационных систем (например, ГЛОНАСС/GPS), образующие зону высокоточного позиционирования по сигналам спутниковых систем, полностью охватывающую контролируемое системой пространство полетов.

Предложенное техническое решение поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема предложенной системы контроля и предотвращения несанкционированных полетов летательных аппаратов малой авиации в воздушном пространстве крупных городов и критически важных объектов.

Система основана на совместном использовании существующих глобальных спутниковых навигационных систем в дифференциальном режиме для реализации - в случае возникновения на борту нештатной ситуации - беспилотного полета и принудительной посадки летательного аппарата в пределах области допустимых значений аэронавигационных данных и представляет собой автоматизированный комплекс предупреждения террористических актов в отношении критически важных объектов, включающий бортовое навигационно-информационное оборудование 1, наземный сегмент 2 и космический сегмент 3.

Бортовое навигационно-информационное оборудование 1 размещается на каждом из летательных аппаратов малой авиации, использование которых разрешено в подконтрольном пространстве, и включает в себя бортовую навигационную аппаратуру глобальной навигационной спутниковой системы 4, модуль приема дифференциальных сообщений 5, бортовую базу аэронавигационных данных 6, средства текущего контроля 7, блок обработки и выдачи информации 8, систему блокировки ручного управления 9, систему автоматического (беспилотного) управления полетом 10, аппаратуру радиосвязи 11.

Бортовая навигационная аппаратура 4 включает всенаправленную в верхней полусфере навигационную антенну, совмещенный навигационный приемник и вычислитель, обеспечивающий расчет координат местоположения летательного аппарата в режиме совместного использования сигналов существующих спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS (а затем и систем Галилео, Бейдоу - в любом сочетании) с учетом дифференциальных поправок и данных о целостности навигационных систем, поступающих с модуля приема дифференциальных сообщений 5.

Модуль приема дифференциальных сообщений 5 обеспечивает прием из эфира и выдачу на вычислитель бортовой навигационной аппаратуры 4 дифференциальных сообщений, вырабатываемых и транслируемых в эфир средствами локальной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS (а затем и систем Галилео, Бейдоу - в любом сочетании).

Бортовая база аэронавигационных данных 6 включает координаты границ разрешенных для полета зон подконтрольного пространства, координаты санкционированных маршрутов, координаты точек принудительной посадки в критической ситуации и другую необходимую для автоматизации управления полетом координатную информацию (точки облета, штатной и принудительной посадки и т.п.), а также средства защиты от несанкционированного изменения хранимых данных.

Средства текущего контроля 7 включают средства текущего контроля параметров технического состояния летательного аппарата, средства текущего контроля параметров психофизического состояния членов экипажа, датчики несанкционированного доступа к средствам управления летательным аппаратом и т.д.

Блок обработки и выдачи информации 8 включает базу детерминированных норм и значений контролируемых параметров технического состояния летательного аппарата, психофизического состояния членов экипажа, состояния датчиков контроля несанкционированного доступа к средствам управления летательного аппарата; аппаратно-программные средства сравнения текущих значений контролируемых параметров с заданными нормами и значениями и вычисления параметров для управления полетом; устройства индикации и сигнализации для обеспечения ручного управления.

Система блокировки ручного управления 9 содержит средства выработки сигналов автоматического управления устройствами, блокирующими (отключающими) исполнительные механизмы ручного управления.

Система автоматического беспилотного управления полетом 10 включает средства выработки сигналов автоматического управления полетом и посадкой.

Аппаратура радиосвязи 11 включает средства радиосвязи с наземным пунктом диспетчерского управления полетом.

Наземный сегмент 2 системы включает средства формирования зоны высокоточного позиционирования 12 по сигналам существующих спутниковых навигационных систем, средства формирования и актуализации базы аэронавигационных данных 13, средства оперативного диспетчерского управления полетами 14.

Средства 12 включают средства, формирующие локальную дифференциальную подсистему (например, ГЛОНАСС/GPS): аппаратно-программные средства выработки дифференциальных сообщений (поправок и данных о целостности) по сигналам ГЛОНАСС/GPS, а также радиопередающие средства, которые обеспечивают доставку дифференциальных сообщений на борт летальных аппаратов и формируют зону высокоточного позиционирования по сигналам спутниковых навигационных систем, полностью охватывающую контролируемое системой пространство полетов.

Средства 13 включают средства формирования и актуализации базы аэронавигационных данных 6 для бортового информационно-навигационного оборудования 1, а также для системы оперативного диспетчерского управления полетами 14.

Средства 14 включают средства радиосвязи с бортом, средства отображения результатов контроля бортовой телеметрии, базу аэронавигационных данных, базу детерминированных норм и значений контролируемых на борту параметров, аппаратно-программные средства выработки команд управления для подконтрольных летательных аппаратов.

Космический сегмент 3 включает группировки космических аппаратов существующих глобальных спутниковых навигационных систем и входит в предлагаемую систему функционально.

Система осуществляет контроль летательных аппаратов, выполняющих полет в пространстве городов, пригородной территории и/или критически важных объектов (воздушное пространство над атомными электростанциями, гидроэлектростанциями, предприятиями химической промышленности, крупными транспортными узлами и т.п., в общем случае под воздушным пространством критически важных объектов будет подразумеваться воздушное пространство над объектами инфраструктуры, средств жизнедеятельности, реализация угроз, в отношении которых приводит к гибели десятков тысяч и увечью сотен тысяч людей, прямым и косвенным ущербам для национальной экономики в размере до нескольких процентов внутреннего валового продукта (от 3 до 5-6% с учетом вторичного ущерба), загрязнению огромных территорий). При полете летательного аппарата в подконтрольном пространстве, находящемся в зоне действия (устойчивого приема сигналов) локальной дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS 12, средства 12 принимают навигационные сигналы не менее четырех космических аппаратов сегмента 3, на основе которых вырабатывают и транслируют в эфир дифференциальные сообщения, включающие дифференциальные поправки и данные о целостности, которые принимает модуль 5 и транслирует на вычислитель бортовой навигационной аппаратуры 4, а бортовая навигационная аппаратура 4, принимая сигналы не менее четырех космических аппаратов сегмента 3 и дифференциальные сообщения от средств 12, обеспечивает автоматическое, в реальном масштабе времени, высокоточное позиционирование (определение координат местоположения) летательного аппарата. При этом дифференциальный режим обеспечивает высокую точность позиционирования, а режим совместного использования сигналов существующих глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS (а затем и систем Галилео, Бейдоу) для позиционирования объекта и выработки дифференциальных сообщений обеспечивает повышение надежности (доступности, непрерывности, целостности) и повышение точности навигационных определений.

Информация о текущих координатах летательного аппарата от бортовой навигационной аппаратуры 4, а также о текущих параметрах технического состояния летательного аппарата, психофизическом состоянии членов экипажа и состоянии датчиков несанкционированного доступа к средствам управления летательным аппаратом от средств текущего контроля 7 непрерывно поступает на блок 8, аппаратно-программные средства которого обеспечивают сравнение текущих значений контролируемых параметров с заданными в бортовой базе аэронавигационных данных 6 и в базе детерминированных норм и значений, а также трансляцию результатов сравнения на устройства индикации и сигнализации для обеспечения ручного управления, и на аппаратуру радиосвязи 11 с наземным пунктом диспетчерского управления полетом, где требуемая информация отображается на диспетчерских табло, используется для выработки команд управления и т.п.

Кроме этого, в момент критического отклонения контролируемых параметров от заданных значений, например отклонения текущих координат полета от координат санкционированного маршрута, блок 8 автоматически обеспечивает выдачу команды на включение системы блокировки ручного управления 9, включение системы автоматического управления полетом 10, а также вычисление и выдачу на систему автоматического управления полетом 10 параметров для управления, обеспечивающих беспилотный полет и принудительную посадку летательного аппарата в пределах области допустимых значений аэронавигационных данных в одном из заранее определенных и специально оборудованных пунктов.

Для управления предлагаемой системой и обеспечения ее бесперебойного функционирования предназначены средства 13 и 14, входящие в наземный сегмент 2. Средства 13 обеспечивают формирование и актуализацию бортовой базы аэронавигационных данных 6 и базы аэронавигационных данных для оперативного диспетчерского управления полетами 14. Средства 14 оперативного диспетчерского контроля и выработки команд управления обеспечивают оперативный диспетчерский контроль параметров полета и выработку команд управления, которые транслируются средствами радиосвязи на бортовое информационно-навигационное оборудование 1 и в центр управления воздушным движением.

Таким образом, использование предложенного технического решения позволит:

обеспечить безопасность летательных аппаратов и городских объектов при выполнении санкционированных маршрутов;

предотвратить террористические акты с использованием летательных аппаратов малой авиации в отношении критически важных объектов;

исключить вероятность человеческих жертв и материальных потерь при предотвращении террористических актов с использованием летательных аппаратов в воздушном пространстве крупных городов;

исключить дополнительное вредное воздействие на окружающую среду и население технических средств, обеспечивающих безопасность полетов и предотвращение терактов с использованием средств малой авиации.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для контроля и предотвращения несанкционированных полетов летательных аппаратов (ЛА) малой авиации в воздушном пространстве крупных городов. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата средства бортового навигационно-информационного оборудования включают систему автоматического управления (САУ). САУ в случае критического отклонения контролируемых параметров полета ЛА от заданных значений осуществляет беспилотное управление полетом и принудительной посадкой с удержанием ЛА в пределах разрешенной для полетов зоны. Бортовая навигационная аппаратура производит высокоточное позиционирование летательного аппарата в режиме совместного использования сигналов существующих глобальных навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС и GPS, с учетом сигналов дифференциальных сообщений. 1 ил.

Система контроля и предотвращения несанкционированных полетов летательных аппаратов малой авиации в воздушном пространстве крупных городов и критически важных объектов, включающая расположенный на борту летательных аппаратов комплекс средств бортового навигационно-информационного оборудования и комплекс наземных технических средств; средства бортового навигационно-информационного оборудования включают бортовую навигационную аппаратуру глобальной навигационной спутниковой системы, бортовую базу аэронавигационных данных, бортовые средства текущего контроля параметров технического состояния летательного аппарата, параметров психофизического состояния членов экипажа и несанкционированного доступа к средствам управления летательного аппарата; блок сравнения текущих координат и значений других контролируемых параметров с заданными нормами и выдачи информации для контроля параметров полета; наземные технические средства включают средства формирования зоны высокоточного позиционирования летательного аппарата, средства формирования бортовой базы аэронавигационных данных, средства оперативного диспетчерского контроля параметров полета и выработки команд управления, отличающаяся тем, что средства бортового навигационно-информационного оборудования дополнительно включают систему автоматического беспилотного управления полетом и принудительной посадкой с удержанием летательного аппарата в пределах разрешенной для полетов зоны в случае критического отклонения контролируемых параметров полета от заданных значений, а бортовая навигационная аппаратура производит высокоточное позиционирование летательного аппарата в режиме совместного использования сигналов существующих глобальных навигационных спутниковых систем, например ГЛОНАСС и GPS, с учетом сигналов дифференциальных сообщений, при этом средства формирования зоны высокоточного позиционирования летательных аппаратов образуют локальную дифференциальную подсистему существующих глобальных навигационных спутниковых систем, например локальную дифференциальную подсистему ГЛОНАСС и GPS.