Дроны, или беспилотные летательные аппараты (БПЛА) — одни из самых инновационных устройств с широким спектром возможного применения. Их используют во многих областях: от сферы развлечений до сложных космических миссий. Практика СВО показала, что они являются не только прекрасным средством разведки, но также и эффективным оружием, особенно коптеры с системой управления first-person view (FPV), когда видео с камеры дрона транслируется на монитор или очки виртуальной реальности пилота. Удалённое управление, а в некоторых случаях и полная автономность этих устройств открывают потенциал для исследований и задач в областях, где человеческое присутствие невозможно. С помощью экспертов Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ IQ.HSE разобрался в особенностях работы беспилотников и перспективах их применения не только на Земле, но и в космосе.
Дроны (от англ. сущ. drone «трутень» и одновременно гл. «жужжать») — это летательные аппараты без экипажа на борту. За этим наименованием скрываются устройства разных типов, размеров и способов управления. Дроны делятся на многороторные, самолётного типа, вертолетные и гибридные.
У многороторных БПЛА есть несколько винтов, что позволяет им вертикально взлетать и приземляться. Они идеальны для аэрофотосъемки, но имеют ограниченное время полёта из-за множества двигателей. У аппаратов самолётного типа — длинные крылья, поэтому они требуют взлётной полосы или специальной пусковой установки, но могут летать дольше и дальше. Дроны-вертолеты имеют один большой ротор (винт) и способны перевозить тяжёлые грузы. Гибридные дроны сочетают характеристики разных типов, обеспечивая как вертикальный взлёт/посадку, так и длительное время полёта.
Корпус БПЛА обычно сделан из прочных материалов (но бывают и вариации из картона и пенопласта), внутри него — процессор, радиопередатчик и другая электроника. Для полёта дроны используют пропеллеры и моторы, а энергией их обеспечивают аккумуляторы. Снаружи беспилотники оснащены камерами, иногда тепловизорами и различными датчиками для сбора данных.
Дальность полёта дронов определяют их размер и конструкция, уровень энергопотребления, а также технология радиосвязи. Поэтому для маленьких любительских мультикоптеров она колеблется от нескольких сотен метров до одного километра. У более профессиональных моделей, предназначенных для фотосъёмки, разведки, переноски грузов — до 15 км. У барражирующих боеприпасов и военных дронов самолётного типа — от 40-50 км (SwitchBlade 600, ZALA «Ланцет») до 300 км (Bayraktar TB2) — и вплоть до 1000 км (Ту-141 «Стриж») и даже 1000-2000 км (Shahed-136, «Герань-2»).
Радиосвязь — наиболее распространённый метод управления БПЛА. Радиосигналы используются для передачи данных и команд между пультом управления и дроном. С их помощью оператор на земле полностью контролирует движение беспилотника и выполнение им задач. Дрон отвечает на посылаемые сигналы, меняя ориентацию, скорость и направление полёта. Маленькие коптеры на расстоянии не больше 20 метров могут управляться с пульта или смартфона посредством технологии Bluetooth. Другие дроны «понимают» Wi-Fi.
Кроме того, все беспилотники активно используют систему GPS (российские — ГЛОНАСС), что позволяет дронам определить своё местоположение с точностью до нескольких сантиметров, получая сигналы от спутников с орбиты Земли. Если же БПЛА работает в помещении или в условиях, где сигнал GPS слабый, отсутствует или заглушен средствами РЭБ, то он может использовать метод оптического потока. Тогда посредством камеры дрон анализирует движение объектов на поверхности, а специальные алгоритмы определяют его положение относительно окружающей среды и корректируют полёт аппарата.
Дополнительно БПЛА оснащены инерциальными измерительными устройствами (ИИУ), которые определяют положение и ориентацию дрона в пространстве с использованием акселерометров и гироскопов. Эти устройства работают независимо от внешних сигналов, что делает их идеальным дополнением к GPS, особенно в условиях помех.
Новейшие технологии позволяют дронам получать команды напрямую со спутников. Это увеличивает их рабочий радиус и обеспечивает возможность работать в регионах с ограниченным доступом к традиционным средствам связи.
Маленькие дроны — квадрокоптеры или мини-вертолеты — работают на частотах 433 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц, поэтому дальность связи с ними составляет не более километра на непрерывной линии видимости. Однако наличие препятствий, таких как стены, здания или деревья, может сократить и эту дистанцию. Профессиональные БПЛА с мощными передатчиками и антеннами используют частоты 1,2 ГГц и 5,8 ГГц, что позволяет передавать видео на большие расстояния, хотя ландшафт и погода также могут повлиять на качество связи.
Для увеличения дальности связи поднимают высоту антенны или применяют панельную антенну, обеспечивающую направленное излучение радиоволн. В последнем случае можно усилить сигнал в определенном направлении и добиться бесперебойной связи на б о льших расстояниях. Ещё один вариант — использование ретрансляторов и радиорелейных станций: сигнал с пульта оператора передаётся на ретранслятор, установленный высоко или на значительном удалении, а оттуда ретранслируется на борт коптера.
Продолжительность пребывания дрона в воздухе напрямую зависит от типа источника питания. Среди различных батарей для дронов наиболее популярные — литий-полимерные (LiPo) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Они легкие, обладают высокой энергоемкостью и позволяют беспилотникам работать дольше.
В некоторых крупных БПЛА самолётного типа, предназначенных для полётов на сотни километров и более, используются бензиновые двигатели. Они обеспечивают большую грузоподъемность и длительное время работы. В настоящий момент инженеры также рассматривают водородные топливные элементы как потенциальный источник энергии для дронов,
Чем больше ёмкость батареи или объемнее бензобак, тем шире рабочий радиус БПЛА. Однако законодательство и правила безопасности могут ограничивать дистанцию полёта дронов, даже если технологически она достижима. В разных странах установлены свои ограничения по максимальному радиусу и высоте полёта. Например, для коммерческих дронов обычно требуется специальное разрешение и соответствие установленным стандартам безопасности.
Из-за размера и конструкции дроны сильно зависят от погодных условий — например, они часто подвержены воздействию ветра. Опасен для них и град. Кроме того, дроны требуют постоянного управления (за исключением аппаратов, которые контролируются умными алгоритмами), чтобы избежать столкновений или других нежелательных ситуаций.
Это случилось благодаря алгоритмам искусственного интеллекта, главным образом машинного обучения и компьютерного зрения, которые позволяют дронам выполнять разнообразные задачи без непосредственного участия оператора. Алгоритмы строятся на данных, полученных от встроенных в БПЛА сенсоров — акселерометров, гироскопов и магнитометров.
ИИ помогает беспилотникам обнаруживать препятствия на своём пути и избегать их, корректируя маршрут, или же автоматически следить за движущимся объектом, например, автомобилем, сохраняя его в кадре камеры. Алгоритмы стабилизации полёта позволяют дронам оставаться устойчивыми при различных погодных условиях, регулируя работу двигателей и угол наклона. На основе различных параметров, таких как заряд батареи и препятствия на пути, БПЛА может автоматически планировать свой маршрут.
Существует немало специализированных программных платформ для управления дронами. Например, Ardupilot и Pixhawk предназначены для автономного полёта и позволяют дронам выполнять задачи без постоянного контроля со стороны оператора. Такие платформы, как Cleanflight, Betaflight, INAV, Emuflight и Baseflight предоставляют инструменты для настройки и оптимизации полёта беспилотника, а также учитывают различные параметры и условия окружающей среды. Все эти инновации обеспечивают дронам высокую степень автономности, позволяя им эффективно и безопасно выполнять свои задачи.
Некоторые дроны могут работать в режиме группового полёта. Они обмениваются между собой радиосигналами и способны выполнять согласованные действия и коллективно адаптироваться к изменяющимся условиям среды, демонстрируя стайное или роевое поведение. Похожим образом себя ведут стаи птиц, косяки рыб или рой пчёл.
Для формирования роя дронов нужны сложные алгоритмы искусственного интеллекта и стабильные высокоскоростные коммуникации, позволяющие устройствам быстро обмениваться данными и принимать решения на основе общей информации.
Групповые полёты чрезвычайно полезны для множества задач — от сугубо мирных, вроде координированных поисково-спасательных операций или аэрофотосъемки больших территорий и до масштабных миссий разведки или преследования группы целей в боевых действиях. Кроме того, эту технологию активно используют для «шоу дронов», где множество коптеров синхронно выполняют сложные маневры, создавая световые представления на ночном небе.
Сегодня дроны впервые в истории человечества массово используются для ведения боевых действий. Поэтому возникла необходимость в разработке методов их подавления. Чаще всего для этого используют технологии радиоэлектронной борьбы (РЭБ).
Радиоэлектронная борьба — это комплекс различных средств, разработанных для контроля и противодействия радиоэлектронным системам, включая БПЛА. Цель РЭБ состоит в том, чтобы нарушить работу беспилотника, ограничить его способность к передаче и получению данных или даже захватить управление над ним. РЭБ используется как для военных, так и для гражданских целей, обеспечивая безопасность на крупных мероприятиях или защиту важных объектов инфраструктуры.
Один из основных методов подавления дронов — создание «белого шума». РЭБ генерирует сильные радиосигналы-помехи на тех же частотах, на которых работает БПЛА, из-за чего между ним и оператором нарушается связь. В результате беспилотник теряет возможность принимать новые команды и может вернуться на автоматически заданную позицию.
Другой подход основан на создании РЭБ помех в системах позиционирования. Это приводит к потере навигационных данных. В итоге БПЛА «теряет ориентацию» на местности и оказывается неспособен выполнить свои задачи. В отдельных случаях подавление сигнала GPS может привести к потере контроля над дроном и его аварийному приземлению.
В третьем способе используются радиофиксаторы для обнаружения радиосигналов, исходящих от дрона. Затем их характеристики анализируют и «подделывают» управляющие сигналы, чтобы изменить поведение БПЛА или даже заставить его вернуться на базу. Данный метод противодействия один из наиболее безопасных, поскольку беспилотник не падает при прерывании сигнала. Однако дрон по итогу может быть использован повторно.
Некоторые системы РЭБ применяют активные методы. Например, комплекс «Алабуга» бьёт электромагнитным импульсом по дрону, чтобы вывести его из строя. Эта «глушилка» оснащена высокочастотным генератором огромной мощности, который нейтрализует любые электрические системы на большом радиусе действия.
Причин много. Во-первых, беспилотники могут использовать нестандартные частоты связи. Во-вторых, некоторые дроны защищены от РЭБ с помощью шифрования своих коммуникаций, имеют встроенные механизмы обнаружения помех и автоматического возврата на базу при потере связи.
С постоянным развитием технологий дроны и системы РЭБ будут продолжать эволюционировать. Ожидается, что появятся более эффективные методы обнаружения и нейтрализации дронов, в которых также на первый план выйдет искусственный интеллект. Впрочем, не менее важно для России разработать и законодательство, которое обеспечит безопасное и ответственное использование технологий РЭБ, предотвратит злоупотребление ими.
IQ
