Результат интеллектуальной деятельности: Способ борьбы с беспилотными летательными аппаратами

Изобретение относится к области автоматизации информационно-управляющих систем контроля за состоянием важных объектов, функционирующих в реальном масштабе времени и может быть использовано для борьбы с беспилотными летательными аппаратами (БЛА).

Известна система защиты границы охраняемой территории, описанная в Пат. РФ №2365857, МПК F41H 13/00 (2006/01), опубл. 27.08.2009, бюл. №24. Система предполагает осуществление защиты границы охраняемой территории с помощью видеокамеры общего обзора, подключенной к управляющему компьютеру, дистанционно-управляемого стрелкового оружия, установленного стационарно, с приводами вертикального и горизонтального перемещения и спускового механизма, соединенного каналом связи с контроллером оружия и приемо-передающим устройством оружия, которое соединено каналом связи с управляющим компьютером. Система снабжена датчиками движения, системами световой и звуковой сигнализации, беспилотными самолетами. Аналог обеспечивает огневое поражение БЛА, нарушивших границы заданного района.

Однако способ-аналог не предполагает определение траектории дальнейшего движения потенциально опасного БЛА, что резко снижает его эффективность (точность огневого воздействия).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ борьбы с беспилотными летательными аппаратами, описанный в Пат. РФ №2625506, МПК F41H 13/00 (2006/01), опубл. 14.07.2017, бюл. №20. Способ заключается в том, что по результатам обнаружения и определения пространственных координат БЛА в передней области полета БЛА на расстоянии, не больше заданного от него, формируют пространственно-протяженную паутину из легких прочных полос (лент) синтетического волокна, обеспечивающего попадание в нее беспилотного летательного аппарата. Область пространственно-протяженной паутины создается путем отстрела в направлении БЛА снарядов, оснащенных кассетами с ленточной сетью.

Способ-прототип позволяет обнаруживать БЛА и осуществлять воздействие на них с помощью пространственно-протяженной паутины из лент синтетического волокна.

Однако, прототип обладает недостатком, ограничивающим его применение. В случаях, когда радиоэлектронные средства, размещенные на БЛА, не излучают радиосигналы, прототип теряет работоспособность. Кроме того, даже при регулярном излучении радиосигналов ему присуща низкая точность деструктивного воздействия из-за отсутствия прогнозирования маршрута полета БЛА.

Целью заявляемого технического решения является разработка способа, обеспечивающего повышение точности деструктивного воздействия на БЛА - нарушителя воздушного пространства охраняемого района благодаря определению скорости и прогнозированию маршрута его дальнейшего полета.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе борьбы с беспилотными летательными аппаратами, состоящем в обнаружении и определении пространственных координат БЛА, формировании в передней области полета БЛА на заданном расстоянии пространственно-протяженной паутины из покрытых антистатическим составом легких прочных полос синтетического волокна по меньшей мере в один эшелон, определяют моменты времени измерения координат БЛА, вычисляют скорость полета БЛА, экстраполируют маршрут дальнейшего полета БЛА на основе сглаживающих кубических параметрических сплайнов в трехмерном пространстве, а формирование пространственно-протяженной паутины осуществляют в ограниченном пространстве с координатами центра, находящимися на наиболее вероятном маршруте полета БЛА в момент времени, предшествующий его появлению.

При этом в качестве деструктивного воздействия на БЛА в заданный момент времени в определенной точке пространства возможно использование огневых средств поражения.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе благодаря измерению скорости полета БЛА и определению наиболее вероятного маршрута его дальнейшего полета, обеспечивается повышение точности деструктивного воздействия на него. Сохранение работоспособности предлагаемого способа в условиях отсутствия радиоизлучения средств радиосвязи БЛА может быть достигнуто использованием в качестве измерителя пространственных параметров радиолокатора.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых:

на фиг. 1 - обобщенный алгоритм обнаружения и деструктивного воздействия на БЛА;

на фиг. 2 - порядок определения точки Р_экс с координатами (X, Y, Z)_экс воздействия на БЛА в зоне принятия решения;

на фиг. 3 - вариант программной реализации вычисления траектории полета БЛА кубическим сплайном;

на фиг. 4 - параметрический сплайн в форме Эрмита.

Известно, что успешное применение БЛА насчитывает уже почти восемь десятилетий. В последние годы интерес к ним существенно вырос. Они являются одним из наиболее перспективных направлений развития авиации. Массовое производство БЛА привнесло существенные проблемы в области охраны важных государственных объектов различного назначения, включая аэродромы военного и гражданского назначения. На решение этой проблемы и направлено изобретение.

Широкое применение БЛА повлекло за собой разработку общих требований к каналам связи. Основные из них сформулированы в стандарте НАТО STANAG 4609 Edition 2, базирующиеся на коммерческих стандартах. Связь с малыми БЛА, радиус действия которых составляет десятки километров, организуется в диапазоне дециметровых волн. Для организации связи больших БЛА при отсутствии прямой видимости используют спутниковые линии связи. Возможна организация канала связи на основе ретрансляторов на БЛА, а также ионосферного распространения радиоволн.

Сущность изобретения состоит в обнаружении и определении пространственных координат БЛА с одновременной фиксацией моментов времени t_i. На основе полученных данных определяют скорость полета БЛА. Далее используя алгоритмы аппроксимации и экстраполяции траектории полета БЛА и его скорости в трехмерном пространстве, определяют пространственные характеристики дальнейшего движения БЛА. В основе названных алгоритмов лежит кубический сплайн. Полученные результаты позволяют с высокой точностью спрогнозировать пространственное местоположение БЛА в интервале времени, а, следовательно, применить адекватное деструктивное воздействие.

В предлагаемом способе (см. фиг. 1) выполняют следующие операции. В заданном (известном) диапазоне частот осуществляют поиск и обнаружение излучений средств радиосвязи БЛА. Определяют пространственные координаты (X, Y, Z)_i БЛА в i-й точке и одновременно фиксируют время t_i их измерения. Определение траектории движения БЛА по нескольким пространственным точкам сводится к поиску функции кубического сплайна в трехмерном пространстве в параметрическом виде. При этом для достижения высокой точности аппроксимации достаточно вычислить значение сплайна в четырех пролетных точках (см. Роджерс, Адамс. Математические основы машинной графики. - М.: Машиностроение, 1985 г.).

На основе параметров t_i и (X, Y, Z)_i, i=1, 2, …, определяют расстояния между соседними пролетными точками P_i и P_i-1 в соответствии с выражением

В свою очередь скорость БЛА в интервале между i-й и i-1-й точками составит

где ΔT_i,i-1=t_i-t_i-1.

В случае, когда скорость полета БЛА сохраняется на протяжении всей длительности полета, появление его в точке экстраполяции Р_экс находят как

где S_экс - длина кривой между первой пролетной точкой P₁ и точкой экстраполяции Р_экс (см. фиг. 2 и 3).

В противном случае, когда скорость БЛА отличается на различных участках полета БЛА, определяют временные затраты на пролет по каждому из них и далее полученные результаты суммируют.

Описание пространственной кривой маршрута полета БЛА в рамках заявки на основе дискретных точек Р₁, Р₂, …, Р_экз осуществляют с использованием кубического параметрического сплайна. Последний описывают системой уравнений вида (см. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. - М.: Мир, 2001. - ISBN 5-03-002143-4)

где l - независимый параметр шага интерполяции, такой, что 0≤l≤1; а, b, c и d - искомые коэффициенты. Координаты точек P_i на кривой (см. фиг. 2) описывают вектором (x(l), y(l), z(l)), а три производные задают координаты соответствующего касательного вектора R в точке. Например, для координаты x

На основе эрмитовой формы задают параметрический кубический сплайн путем указания начальной и конечной точек (например P₁ и Р₄) и векторов касательных в них R₁ и R₄ соответственно (см. Приложение и фиг. 4). Для кривой более сложной формы на следующем участке конечная точка становится начальной, и добавляют новую конечную точку.

Возможность экстраполяции с использованием сплайн-функции на шаг вперед следует из выражения

где вектор L=[l³, l², l, 1], M_h - Эрмитова матрица.

Умножив (6) на геометрический вектор Эрмита G_hx, получаем возможность для нахождения координат точек сплайна в явном виде

Аналогично определяют y_экс(l) и z_экс(l).

Зная координаты экстраполируемой точки траектории полета БЛА (7) и время нахождения в ней (3), принимают решение на деструктивное воздействие. В случае, когда в качестве контролируемого (охраняемого) объекта выступают элементы гражданского назначения (аэропорт, административные здания и др.), для этой цели используют пространственно-протяженную паутину, сети-ловушки и др. При охране важных государственных (военных) объектов, удаленных от гражданской инфраструктуры, целесообразно использование огневого поражения БЛА в соответствии с Пат. РФ №2365857. В этом случае поражение БЛА наносят в точке Р_экз с координатами (X, Y, Z)_экс в момент времени Т_экз, значения которых определены в соответствии с предлагаемым способом.

Экстраполяция маршрута полета беспилотного летательного аппарата на основе кубического параметрического сплайна в трехмерном пространстве

Описание пространственной кривой маршрута полета беспилотного летательного аппарата (БЛА) на основе дискретных точек Р₁, Р₂, …, Р_экз (координат точек) осуществляют с использованием кубического параметрического сплайна. Последний описывают системой уравнений (см. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. - М.: Мир, 2001. - ISBN 5-03-002143-4)

где l - независимый параметр шага интерполяции, такой, что что 0≤l≤1; а, b, с и d - искомые коэффициенты. Координаты точек P_i на кривой описывают вектором (x(l), y(l), z(l)), а три производные задают координаты соответствующего касательного вектора R_i в точке

В точках соединения P_i сегментов пространственной кривой должна соблюдаться ее непрерывность (без разрывов) и непрерывность касательных векторов R_i (без изменения наклона). Существует несколько способов описания параметрических кубических кривых: формы Эрмита, Безье и В-сплайны. В материалах заявки использована форма Эрмита.

Используя матричное представление выражений (1) и (2), имеем:

где L=[l³, l², l, 1], =[a, b, c, d]x.

Задача построения кривой сводится к нахождению значений элементов матрицы C_x, т.е. коэффициентов a_x, b_x, c_x, d_x, удовлетворяющих условиям:

Из (3) следует, что x(0)=Р_1х=[0, 0, 0, 1]C_x, x(1)=Р_4х=[1, 1, 1, 1]C_x. Для касательных R имеем: x'(0)=R_1x=[0, 0, 1, 0]C_x, x'(1)=R_4x=[3, 2, 1, 0]C_x. На основе полученных выражений имеем векторно-матричное уравнение:

Это уравнение решают относительно C_x нахождением обратной матрицы размером 4×4

где M_h - Эрмитова матрица, G_hx - геометрический вектор Эрмита. Путем подстановки (7) в (3), получаем x(l)=L⋅M_h⋅G_hx. Аналогично определяют значения для y(l)=L⋅M_h⋅G_hy и z(l)=L⋅M_h⋅G_hz. Возможность экстраполяции кривой сплайн-функцией на шаг вперед следует из выражения

Умножив (8) на G_hx, получают выражение для вычисления координат точек сплайна в явном виде:

Четыре выражения в скобках называют функциями сглаживания. Аналогично находят значения y_экс(l) и z_экс(l).