[09-2023] БПЛА на службе железнодорожного транспорта

[Admin]

БПЛА на службе железнодорожного транспорта

ПЛЕХАНОВ Павел Андреевич, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
РОЕНКОВ Дмитрий Николаевич, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, передача данных, модель нарушителя, помехи
Аннотация. В последнее время в России и мире большую актуальность приобрели беспилотные летательные аппараты (БПЛА), применяемые для решения самых разных задач, в том числе на железнодорожном транспорте. Разнообразие типов и моделей БПЛА, продолжающееся резкое увеличение их численности приводит к необходимости скорейшей разработки соответствующих норм регулирования. При этом наряду с очевидными преимуществами развития рынка БПЛА, остро встает проблема противодействия их незаконному использованию. Для ее решения необходимо иметь представление о конструкции и составе бортового оборудования БПЛА, системе управления и используемых технологиях передачи данных, способах обнаружения и нейтрализации БПЛА.

Беспилотные летательные аппараты обладают разной степенью автономности: от управляемых дистанционно (оператором) до функционирующих в автоматическом режиме и не обменивающихся информацией с внешними объектами. Исходя из области применения, БПЛА можно разделить на бытовые (потребительские), коммерческие (промышленные) и военные.

Главным элементом бортовой аппаратуры БПЛА служит полетный контроллер, который принимает и обрабатывает команды от пункта управления БПЛА (или бортового компьютера) и перенаправляет их в двигатели и другие элементы бортового комплекса. На борту БПЛА имеются: барометр, акселерометр, гироскоп, гирокомпас, магнитометр и другие стандартные авиационные датчики. Кроме этого, в состав бортового комплекса входят: модуль спутниковой навигационной системы (СНС), приемопередатчик системы связи, обзорные устройства на базе телевизионных и (или) тепловизионных камер и радиолокационных станций, устройства питания и хранения информации.
Автономное управление БПЛА строится на основе блока автопилота, включающего, помимо прочего, вычислитель, микромеханическую инерциальную навигационную систему (ИНС), модуль СНС, абсолютный и дифференциальный манометры.
Система навигации на большинстве малых БПЛА
функционирует за счет приемников навигационных сообщений одной или нескольких СНС (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou), обеспечивающих точность определения местоположения до нескольких метров. Более сложные БПЛА оснащаются также автономными ИНС.
Для управления бытовыми и коммерческими БПЛА могут применяться системы связи на основе технологии FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты), когда в разные временные интервалы используются разные частотные диапазоны (рис. 1). Например, для управления в пределах прямой видимости могут использоваться стандарты беспроводного доступа IEEE 802.11 (Wi-Fi), беспроводной связи малого радиуса действия IEEE 802.15 (Bluetooth, ZigBee) и др. [1, 2]. Для управления военными БПЛА, летающими на дальние расстояния, требуются специальные системы спутниковой и ионосферной связи [3-5].
Для передачи данных с БПЛА разработана серия стандартов STANAG («Standardization Agreement» -«Соглашение по стандартизации») и руководств по их применению AEDP («Allied Engineering Document Publication» - «Публикация инженерной документации союзников»), регламентирующих требования к такой передаче [6, 7]. Краткое описание документов приведено в таблице.
В соответствии со стандартом STANAG 7023 все данные (сенсорные и вспомогательные) передаются в виде отдельных файлов пакетами (рис. 2).
Заголовок пакета определяет длину файла данных, адреса источника и получателя, а также дополнительные параметры. По адресу источника можно определить тип данных: задание (миссия) БПЛА, цель, данные телеметрии, параметры сенсоров,
данные от сенсоров и др. Каждый пакет защищается контрольной суммой (обязательной для заголовка и опциональной для файла данных). При этом, если приемник не смог получить или правильно расшифровать пакет, то он может быть отправлен повторно с тем же заголовком.
Пакеты объединяются в сегменты, а сегменты -в записи, при этом в сегментах пакеты следуют непосредственно друг за другом без каких-либо разделителей. Как правило, каждый сегмент связан с активностью отдельных групп сенсоров для выполняемого БПЛА задания, и на протяжении передачи сегмента обязательно должен быть активен минимум один сенсор.

Запись представляет собой последовательность сегментов по ходу выполнения задания БПЛА. Она включает преамбулу (нулевой сегмент), набор сегментов, разделенных оконечными маркерами - по-стамбулами, и маркер конца записи.
Преамбула предшествует началу выполнения задания и включает набор вспомогательных данных перед передачей первого информационного сегмента, что позволяет пункту управления БПЛА обработать последующий поток информационных пакетов. Например, преамбула может содержать информацию о деталях задания, цели, режиме работы сенсоров.
Постамбула, наличие которой в сегменте не является обязательным, содержит набор вспомогательной информации после передачи данных сегмента и может включать повторение преамбулы, данные об интервалах работы сенсоров, таблицы событий, навигационную информацию и др.
Сегодня БПЛА активно применяются на железнодорожном транспорте для мониторинга объектов инфраструктуры [8], а также для решения таких задач, как:
наблюдение за проведением строительных и ремонтных работ;
обследование труднодоступных элементов искусственных сооружений (опоры мостов, элементы инфраструктуры на заболоченной или в горной местности);
получение оперативной информации с места транспортных происшествий, стихийных бедствий;
контроль сохранности крупных стройматериалов и др.

Для повышения эффективности использования БПЛА в ОАО «РЖД» с 2020 г. эксплуатируется Автоматизированная система управления беспилотными воздушными судами (АСУ БВС), в которой реализованы следующие основные функции:

• планирование летной работы - расписание полетов БПЛА (на полгода-год) с привязкой к дороге и линейному предприятию, описание рабочих заданий, информация об операторах и моделях;
• технический учет парка БПЛА, включая информацию о местонахождении и балансодержателе, наличии необходимых документов и др., а также учет штата операторов;
• учет происшествий с БПЛА с указанием причин (например, выход из строя аккумулятора, столкновение с линией электропередачи, отказ системы управления);
• планирование технического обслуживания и ремонта БПЛА.

Например, в рамках проведения работ по подготовке путевого комплекса к пропуску весенних паводковых вод оператор при помощи БПЛА может в течение одного дня произвести осмотр до 10 км полосы отвода по обеим сторонам пути. Такой объем работ за один день не сможет выполнить ни один обходчик. При этом и качество осмотра оказывается выше.


Системы технического зрения БПЛА, которые используются для обследования искусственных сооружений, дают возможность в автоматизированном режиме обрабатывать видеопоток для того, чтобы отличить реальные дефекты от возможных следов грязи, а также от недостатков или царапин окраски. Это позволяет фиксировать данные только о местах с обнаруженными дефектами (трещинами и др.), не перегружая при этом работников, ответственных за диагностику, необходимостью просматривать видеопоток целиком.
Помимо фото- и видеосъемки, БПЛА может обнаруживать деформации земляного полотна и поверхностные смещения грунтов. Использование совместно с СНС спутниковой системы позицио
нирования RTK («Real Time Kinematic» - «Кинематика реального времени») позволяет оперативно производить съемку топографических планов при обеспечении сантиметрового уровня точности. RTK является одним из методов дифференциального режима работы СНС, который дает возможность скорректировать значительную часть погрешностей измерений координат приемника (задержки распространения радиосигналов в ионосфере и тропосфере, ослабление различными препятствиями, многолучевое распространение, электромагнитные помехи, погрешности часов и траектории движения спутника).
При работе в составе аварийно-восстановительных формирований БПЛА помимо видеокамеры высокого разрешения могут оснащаться соответствующим дополнительным оборудованием, например, прожектором, работающим в темное время суток, и громкоговорителем, с помощью которого оператор или руководитель работ может отдавать необходимые команды.
Проблемы использования БПЛА на железнодорожном транспорте связаны, прежде всего, с отсутствием единого регламента согласования полетов, что зачастую приводит к длительным (до нескольких недель) срокам получения соответствующих разрешений. Особенно остро это ощущается при необходимости оперативно организовать вылет БПЛА на место транспортного происшествия. Данное обстоятельство также связано с наличием большого числа участников согласований.

В целом применение БПЛА на железных дорогах -весьма перспективное направление повышения эффективности и безопасности процессов технической эксплуатации различных объектов железнодорожного транспорта. Однако следует отметить, что будучи в руках нарушителей БПЛА могут представлять серьезную угрозу транспортной безопасности. В связи с этим требуются адекватные меры противодействия с учетом модели нарушителя [9].
Для обнаружения БПЛА могут быть задействованы различные способы, базирующиеся на разных физических принципах и технических средствах. Основными из них являются: наблюдение за воздушным пространством, радиолокация, радиопеленгация, оптико-электронное и акустическое обнаружение.
Наблюдение за воздушным пространством - это наиболее простой способ обнаружения БПЛА. Однако его эффективность зависит с одной стороны от субъективных способностей наблюдателя, с другой - от его местоположения, наличия вспомогательных средств и условий окружающей среды (время суток, погода).
Преимущество радиолокации заключается в относительной стабильности распространения радиоволн в однородной среде, не зависящей, например, от изменения условий оптической видимости в зоне обнаружения БПЛА. В основе данного метода лежит способность радиоволн отражаться от объектов, электрические или магнитные параметры которых отличаются от аналогичных параметров среды распространения. А на основе изменения частоты отраженного от БПЛА сигнала можно определить факт движения (эффект Доплера).
Основными методами радиопеленгации служат амплитудный и фазовый. В первом случае используется антенная система, диаграмма направленности которой имеет выраженные минимумы или максимумы для нахождения направления на БПЛА по пересечению с диаграммой направленности, применяемой на аппарате антенны. Во втором случае анализируются фазы принимаемых антенной системой сигналов от БПЛА.
Оптико-электронное обнаружение БПЛА может применяться при наличии возможности построения проекции визуального облика аппарата на картинную плоскость с помощью методов повышения контрастности и восстановления пропущенных графических элементов. Эффективность такого способа существенно зависит от времени суток и погодных условий.
Акустический способ позволяет решить задачу обнаружения БПЛА путем фиксации создаваемых им акустических сигналов как звукового, так и инфра- и ультразвукового диапазонов. При этом генерируемые БПЛА звуковые волны могут затухать вследствие вязкости воздушной среды, турбулентности воздуха и др.
Для противодействия БПЛА целесообразно применять их недостатки, в том числе:
ограниченность применения в зависимости от времени суток и метеоусловий - многие модели невозможно использовать при скорости ветра выше 10 м/с, при сильном дожде, тумане и др.;
низкая живучесть конструкции вследствие неустойчивости к механическим природным и антропогенным воздействиям;
относительно невысокая интеллектуальность функционирования в автономном режиме.
Основными способами нейтрализации БПЛА служат: огнестрельный, акустический, лазерный, микроволновый, применение других БПЛА и средств радиоэлектронной борьбы. В настоящее время перспективным способом является применение БПЛА-перехватчиков или БПЛА-камикадзе. Например, БПЛА-перехватчик может использовать сетку для прерывания полета БПЛА-нарушителя, а БПЛА-камикадзе вызывать его уничтожение путем физического контакта с ним.

Распространенный и относительно эффективный способ для неавтономных БПЛА заключается в задействовании средств радиоэлектронной борьбы. По своей технологии этот способ близок к микроволновому, но направлен на подавление («глушение») каналов связи между БПЛА и пунктом управления, а также на перехват сигналов управления. Для этого требуется установка частот, которые используются для сигналов управления БПЛА, а затем подавление их искусственными помехами. При этом помехи могут быть прицельными и заградительными (рис. 3).
В силу излучения в узкой полосе частот прицельные помехи не создают нарушения в работе других радиоэлектронных средств, однако их эффективность зависит от точности совмещения по частоте с сигналами управления БПЛА. Заградительные помехи можно создавать, не обладая точной информацией о частотах сигналов управления БПЛА, но в этом случае возможны сбои в работе своего же радиоэлектронного оборудования.
Основные направления развития отрасли гражданских БПЛА в России определены Стратегией развития беспилотной авиации на период до 2030 г. и на перспективу до 2035 г., утвержденной 21 июня 2023 г. Документ, помимо прочего, определяет меры по стимулированию спроса на разработку отечественных беспилотных автономных систем, их стандартизацию и серийное производство, развитие инфраструктуры, обеспечение безопасности и формирование специализированной системы сертификации, а также мероприятия в области подготовки кадров. При этом важно понимать, что БПЛА сегодня, помимо предоставления широких возможностей для развития самых разных отраслей, включая транспортную, в руках злоумышленников могут оказаться источником существенных рисков в области безопасности, требующих соответствующего реагирования [10].

СПИСОК источников
1. Плеханов П.А. Беспроводные инфокоммуникацион-ные сети на железнодорожном транспорте: учебное пособие. СПб.: ПГУПС, 2014. 55 с.
2. Плеханов П.А., Роенков Д.Н. Цифровые системы подвижной связи на железнодорожном транспорте: учебное пособие. СПб.: ПГУПС, 2020. 41 с.
3. Лапунов С.И., Роенков Д.Н., Плеханов П.А. Коротковолновая ионосферная радиосвязь и возможности ее применения // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 7. С. 14-19. DOI: 10.34649/АТ.2022.7.7.003
4. Лапунов С.И., Роенков Д.Н., Плеханов П.А., Глухов И.А. Применение систем коротковолновой радиосвязи на малоинтенсивных железнодорожных участках // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 9. С. 4-8. DOI: 10.34649/ АТ.2022.9.9.001
5. Лапунов С.И., Роенков Д.Н., Плеханов П.А., Глухов И.А. Радиосвязь на малоинтенсивных железнодорожных участках // Автоматика, связь, информатика. 2022. №11. С. 2-7. DOI: 10.34649/АТ.2022.11.11.0016.
6. Слюсар В. Передача данных с борта БПЛА: стандарты НАТО//Электроника: Наука, технология, бизнес. 2010. № 3. С. 80-86. DOI: 10.34649/АТ.2022.11.11.001
7. Слюсар В. Радиолинии связи с БПЛА: примеры реализации // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2010. № 5. С. 56-60.
8. Цветков В.Я., Ознамец В.В. Мониторинг транспортной инфраструктуры с использованием интеллектуальных БПЛА // Автоматика, связь, информатика. 2020. Ns 8. С. 18-21. DOI 10.34649/АТ.2020.8.8.001
9. Плеханов П.А. Риск-ориентированный подход к обеспечению транспортной безопасности как части комплексной безопасности железнодорожного транспорта // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16, вып. 4. С. 539-551.
10. Плеханов П.А. Обеспечение комплексной безопасности на железнодорожном транспорте в контексте стратегического развития // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2020. Т. 17, вып. 4. С. 552-565.