Ubemannet luftfartøy - Unmanned aerial vehicle

Northrop Grumman Bat bærer EO/IR- og SAR-sensorer, laseravstandsfunnere, laserdesignatorer, infrarøde kameraer
En DJI Phantom kvadrokopter UAV for kommersielle og fritids flyfoto
En General Atomics MQ-9 Reaper , en jeger-morder-overvåking UAV
Selv om de fleste militære UAV er fast ving fly , helikoptre design (dvs. RUAVs) som dette MQ-8B Brann Scout er også brukt.
Ubemannet allsidig fly (opprinnelig en 2-seters Pipistrel Sinus )

Et ubemannet luftfartøy ( UAV ), kjent som en drone , er et fly uten menneskelig pilot , mannskap eller passasjerer om bord. UAV er en komponent i et ubemannet flysystem (UAS) , som i tillegg inkluderer en bakkebasert kontroller og et kommunikasjonssystem med UAV. UAV-flyging kan operere under fjernkontroll av en menneskelig operatør, som fjernstyrt fly ( RPA ), eller med forskjellige grader av autonomi , for eksempel autopilotassistanse , opp til fullt autonome fly som ikke har mulighet for menneskelig inngrep.

UAV-er ble opprinnelig utviklet gjennom det tjuende århundre for militære oppdrag som var for "kjedelige, skitne eller farlige" for mennesker, og ved de tjueførste hadde de blitt viktige eiendeler for de fleste militære. Etter hvert som kontrollteknologiene ble bedre og kostnadene falt, utvidet bruken dem til mange ikke-militære applikasjoner. Disse inkluderer flyfotografering , produktleveranser , landbruk , politi og overvåking, infrastrukturinspeksjoner, vitenskap, smugling og dronning .

Terminologi

Mange begreper brukes for fly som flyr uten personer om bord.

Begrepet drone har blitt brukt fra luftfartens begynnelse, og ble brukt på fjernflytede målfly som ble brukt til å øve på et slagskips kanoner, for eksempel Fairey Queen fra 1920-tallet og de Havilland Queen Bee fra 1930-tallet . Senere eksempler inkluderer Airspeed Queen Wasp og Miles Queen Martinet , før den endelige erstatningen ble utført av GAF Jindivik . Begrepet forblir i vanlig bruk.

Et ubemannet luftfartøy (UAV) er definert som et "drevet, luftfartøy som ikke bærer en menneskelig operatør, bruker aerodynamiske krefter for å gi kjøretøyets heis, kan fly autonomt eller bli fjernstyrt, kan brukes eller gjenvinnes og kan bære en dødelig eller ikke -dødelig nyttelast ". UAV er et begrep som vanligvis brukes på militære brukstilfeller. Imidlertid regnes ikke missiler med stridshoder som UAV fordi kjøretøyet i seg selv er en ammunisjon.

Begrepet ubemannet flysystem ( UAS ) ble vedtatt av United States Department of Defense (DoD) og United States Federal Aviation Administration (FAA) i 2005 i henhold til deres Unmanned Aircraft System Roadmap 2005–2030. Den internasjonale sivile luftfartsorganisasjonen (ICAO) og den britiske sivile luftfartsmyndighet vedtok dette begrepet, også brukt i EUs Single-European-Sky (SES) Air-Traffic-Management (ATM) Research (SESAR Joint Undertaking) veikart for 2020. Dette begrepet understreker viktigheten av andre elementer enn flyet. Den inkluderer elementer som bakkekontrollstasjoner, datakoblinger og annet støtteutstyr. Et lignende begrep er et ubemannet kjøretøysystem (UAVS), fjernstyrt luftfartøy (RPAV), fjernstyrt flysystem (RPAS). Mange lignende begreper er i bruk. "Ubeboet" og "ubebodd" brukes tidvis som kjønnsnøytrale alternativer til "ubemannet".

I tillegg til programvaren bruker autonome droner også en rekke avanserte teknologier som lar dem utføre sine oppdrag uten menneskelig inngrep, for eksempel skyberegning, datasyn, kunstig intelligens, maskinlæring, dyp læring og termiske sensorer.

I henhold til nye forskrifter som trådte i kraft 1. juni 2019, har begrepet RPAS ( Remotely Piloted Aircraft System ) blitt vedtatt av den kanadiske regjeringen for å bety "et sett med konfigurerbare elementer bestående av et eksternt pilotert fly, dets kontrollstasjon, kommando og kontroll lenker og andre systemelementer som kreves under flyging ".

UAVs forhold til fjernstyrte modellfly er uklart. UAVer kan inkludere modellfly eller ikke. Noen jurisdiksjoner baserer sin definisjon på størrelse eller vekt; Imidlertid definerer den amerikanske FAA ethvert ubemannet flyfartøy som en UAV uansett størrelse. For fritidsbruk er en drone (i motsetning til en UAV) et modellfly som har førstepersonsvideo, autonome evner eller begge deler.

Klassifiseringer

UAV -er kan klassifiseres som alle andre fly , i henhold til designkonfigurasjon som vekt eller motortype, maksimal flyhøyde, grad av operativ autonomi, operasjonell rolle, etc.

Basert på vekten

Basert på vekten kan droner deles inn i fem kategorier - nano (veier opptil 250 g), Micro air -kjøretøy (MAV) (250 g - 2 kg), miniatyr UAV eller liten (SUAV) (2-25 kg), middels (25-150 kg), og stor (over 150 kg).

Basert på graden av autonomi

Droner kan også klassifiseres basert på graden av autonomi i flyoperasjonene. ICAO klassifiserer ubesatte fly som enten fjernstyrte fly eller helt autonome. Noen UAV tilbyr mellomliggende grader av autonomi. For eksempel et kjøretøy som fjernstyres i de fleste sammenhenger, men som har en autonom retur-til-base-operasjon. Noen flytyper kan eventuelt fly bemannede eller som UAVer, som kan omfatte bemannede fly som er transformert til ubemannede eller valgfritt piloterte UAV (OPV).

Basert på høyden

Basert på høyden har følgende UAV -klassifiseringer blitt brukt på bransjearrangementer som ParcAberporth Unmanned Systems forum:

  • Håndholdt 600 m høyde, ca 2 km rekkevidde
  • Nær 1.500 m høyde, opptil 10 km rekkevidde
  • NATO type 10.000 fot (3.000 m) høyde, opptil 50 km rekkevidde
  • Taktisk 18.000 fot (5.500 m) høyde, omtrent 160 km rekkevidde
  • MANN (middels høyde, lang utholdenhet) opptil 30 000 fot (9 000 m) og rekkevidde over 200 km
  • HALE (stor høyde, lang utholdenhet) over 9100 m (30.000 fot) og ubestemt rekkevidde
  • Hypersonisk høyhastighets, supersonisk (Mach 1–5) eller hypersonisk (Mach 5+) 50 000 fot (15 200 m) eller suborbital høyde, rekkevidde over 200 km
  • Orbital lav jordbane (Mach 25+)
  • CIS Lunar Earth-Moon transfer
  • Computer Assisted Carrier Guidance System (CACGS) for UAV -er

Basert på de sammensatte kriteriene

Et eksempel på klassifisering basert på de sammensatte kriteriene er US Militarys ubemannede luftsystemer (UAS) klassifisering av UAVer basert på vekt, maksimal høyde og hastighet på UAV -komponenten.

Historie

Winston Churchill og andre som venter på å se lanseringen av en de Havilland Queen Bee -måldrone , 6. juni 1941
En Ryan Firebee , en av en serie måldroner/upiloterte luftfartøyer som først fløy i 1951. Israeli Air Force Museum , Hatzerim flybase, Israel, 2006
Siste forberedelser før det første taktiske UAV -oppdraget over Suez -kanalen (1969). Stående: Major Shabtai Brill fra det israelske etterretningskorpset, innovatøren av den taktiske UAV.
Den israelske Tadiran Mastiff , som første gang fløy i 1975, blir av mange sett på som den første moderne slagmark-UAV, på grunn av sitt datalinkingssystem, utholdenhet og live videostreaming.

Tidlige droner

Den tidligste registrerte bruken av et ubemannet luftfartøy til krigføring skjedde i juli 1849, som tjente som et ballongskip (forløperen til hangarskipet ) i den første offensive bruken av luftmakt i marin luftfart . Østerrikske styrker som beleiret Venezia forsøkte å skyte rundt 200 brannballonger mot den beleirede byen. Ballongene ble skutt hovedsakelig fra land; Noen ble imidlertid også lansert fra det østerrikske skipet SMS  Vulcano . Minst én bombe falt i byen; På grunn av at vinden endret seg etter oppskytingen, savnet imidlertid de fleste ballongene målet, og noen drev tilbake over østerrikske linjer og oppskytingsskipet Vulcano .

Betydelig utvikling av droner startet på begynnelsen av 1900 -tallet, og fokuserte opprinnelig på å gi øvingsmål for opplæring av militært personell. Det tidligste forsøket på en drevet UAV var AM Lows "Aerial Target" i 1916. Low bekreftet at Geoffrey de Havillands monoplan var det som fløy under kontroll 21. mars 1917 ved hjelp av radiosystemet hans. Andre britiske ubemannede utviklinger fulgte under og etter første verdenskrig som førte til flåten på over 400 de Havilland 82 Queen Bee luftmål som ble tatt i bruk i 1935.

Nikola Tesla beskrev en flåte av ubekjempede luftfartsbiler i 1915. Denne utviklingen inspirerte også konstruksjonen av Kettering Bug av Charles Kettering fra Dayton, Ohio og Hewitt-Sperry Automatic Airplane . Opprinnelig ment som et ubemannet fly som ville bære en eksplosiv nyttelast til et forhåndsbestemt mål. Den første skalert fjern testet bilen ble utviklet av filmstjernen og modell fly entusiast Reginald Denny i 1935.

Andre verdenskrig

Utviklingen fortsatte under første verdenskrig , da Dayton-Wright fly selskapet oppfunnet en pilotless antenne torpedo som ville eksplodere på et bestemt tidspunkt. I 1940 startet Denny Radioplane Company og flere modeller dukket opp under andre verdenskrig  - brukt både til å trene skytevåpen og til å fly angrepsoppdrag. Nazi-Tyskland produserte og brukte forskjellige UAV-fly under krigen, som Argus As 292 og V-1 flybombe med en jetmotor . Etter andre verdenskrig fortsatte utviklingen i kjøretøyer som amerikanske JB-4 (ved bruk av TV/radiokommandoveiledning), australske GAF Jindivik og Teledyne Ryan Firebee I fra 1951, mens selskaper som Beechcraft tilbød sin modell 1001 for den amerikanske marinen i 1955. Likevel var de lite mer enn fjernstyrte fly fram til Vietnamkrigen .

Etterkrigstiden

I 1959 begynte det amerikanske luftvåpenet , bekymret for å miste piloter over fiendtlig territorium, å planlegge bruk av ubesatte fly. Planleggingen ble intensivert etter at Sovjetunionen skjøt ned en U-2 i 1960. I løpet av få dager startet et høyt klassifisert UAV-program under kodenavnet "Red Wagon". Sammenstøtet i august 1964 i Tonkin-gulfen mellom marineenheter fra den amerikanske og nordvietnamesiske marinen startet Amerikas høyt klassifiserte UAV ( Ryan Model 147 , Ryan AQM-91 Firefly , Lockheed D-21 ) i deres første kampoppdrag under Vietnamkrigen . Da den kinesiske regjeringen viste fotografier av nedlagte amerikanske UAVer via Wide World Photos , var det offisielle amerikanske svaret "ingen kommentar".

Under utmattelseskrigen (1967–1970) ble de første taktiske UAV -ene installert med rekognoseringskameraer først testet av den israelske etterretningen, og lykkes med å bringe bilder fra hele Suez -kanalen. Dette var første gang at taktiske UAV-er som kunne lanseres og landes på en kort rullebane (i motsetning til de tyngre jetbaserte UAV-ene) ble utviklet og testet i kamp.

I 1973 Jom Kippur War , Israel anvendes UAVs som lokkemidler for å anspore motsatte krefter til å kaste bort dyre luftvern missiler. Etter Yom Kippur -krigen i 1973 ble noen få nøkkelpersoner fra teamet som utviklet denne tidlige UAVen, med i et lite oppstartsselskap som hadde som mål å utvikle UAVer til et kommersielt produkt, til slutt kjøpt av Tadiran og førte til utviklingen av den første israelske UAV.

I 1973 bekreftet det amerikanske militæret offisielt at de hadde brukt UAV i Sørøst -Asia (Vietnam). Over 5000 amerikanske flyvere var drept og over 1000 flere savnet eller tatt til fange . USAF 100. Strategic Reconnaissance Wing fløy rundt 3.435 UAV -oppdrag under krigen til en pris av omtrent 554 tapte UAVer for alle årsaker. Med ordene til USAFs general George S. Brown , sjef for Air Force Systems Command , i 1972, "Den eneste grunnen til at vi trenger (UAV) er at vi ikke ønsker å unødvendig bruke mannen i cockpiten." Senere samme år uttalte general John C. Meyer , øverstkommanderende, Strategic Air Command , "vi lot dronen gjøre høyrisikoflyging ... tapet er høyt, men vi er villige til å risikere flere av dem. ..de redder liv! "

Under Yom Kippur-krigen i 1973 forårsaket sovjetiske luft-til-luft-missilbatterier i Egypt og Syria store skader på israelske jagerfly . Som et resultat utviklet Israel IAI Scout som den første UAV med sanntidsovervåking. Bildene og radarkjøringene fra disse UAV -ene hjalp Israel med å fullstendig nøytralisere det syriske luftforsvaret i begynnelsen av Libanon -krigen i 1982 , noe som resulterte i at ingen piloter ble slått ned. I Israel i 1987 ble UAVer først brukt som bevis-på-konseptet for super-smidighet, kontrollert flyvning etter stall i kamp-fly-simuleringer som involverte haleløs, stealth teknologibasert, tredimensjonal skyvevektorflygingskontroll og jet- styring.

Moderne UAV

Med modning og miniatyrisering av gjeldende teknologier på 1980- og 1990 -tallet vokste interessen for UAV -er innenfor de høyere nivåene til det amerikanske militæret. På 1990 -tallet ga amerikanske DoD en kontrakt til AAI Corporation sammen med det israelske selskapet Malat. Den amerikanske marinen kjøpte AAI Pioneer UAV som AAI og Malat utviklet i fellesskap. Mange av disse UAV -ene så tjeneste i Gulfkrigen i 1991 . UAV demonstrerte muligheten for billigere, mer dyktige kampmaskiner som kan distribueres uten risiko for flybesetninger. De første generasjonene involverte først og fremst overvåkingsfly , men noen bar bevæpning , for eksempel General Atomics MQ-1 Predator , som lanserte AGM-114 Hellfire luft-til-bakke-missiler .

CAPECON var et EU -prosjekt for å utvikle UAVer, som løper fra 1. mai 2002 til 31. desember 2005.

Fra 2012 ansatte USAF 7 494 UAV - nesten ett av tre USAF -fly. The Central Intelligence Agency også operert UAV . I 2013 brukte minst 50 land UAV. Kina, Iran, Israel, Pakistan, Tyrkia og andre designet og bygde sine egne varianter. Bruken av droner har fortsatt å øke. På grunn av deres brede spredning, finnes det ingen omfattende liste over UAV -systemer.

Utviklingen av smarte teknologier og forbedrede elektriske kraftsystemer førte til en parallell økning i bruken av droner til forbruker- og generell luftfartsvirksomhet. Fra 2021 eksemplifiserer quadcopter- droner den utbredte populariteten til hobby -radiostyrte fly og leker, men bruk av UAV-er i kommersiell og generell luftfart er begrenset av mangel på autonomi og nye reguleringsmiljøer som krever kontakt med synsfeltet med Pilot.

I 2020 jaget en Kargu 2 -drone og angrep et menneskelig mål i Libya , ifølge en rapport fra FNs sikkerhetsråds ekspertpanel om Libya, som ble publisert i mars 2021. Dette kan ha vært første gang en autonom morderobot bevæpnet. med dødelig våpen angrep mennesker.

Design

Generell fysisk struktur for en UAV

Besatte og ubesatte fly av samme type har generelt sett gjenkjennelige fysiske komponenter. De viktigste unntakene er cockpit og miljøkontrollsystem eller livsstøttesystemer . Noen UAV -er bærer nyttelast (for eksempel et kamera) som veier betydelig mindre enn et voksent menneske, og som et resultat kan de være betydelig mindre. Selv om de bærer tung nyttelast, er våpnede militære UAV -er lettere enn sine bemannede kolleger med lignende bevæpning.

Små sivile UAV har ingen livskritiske systemer , og kan dermed bygges av lettere, men mindre robuste materialer og former, og kan bruke mindre robust testede elektroniske kontrollsystemer. For små UAV -er har quadcopter -designen blitt populær, selv om denne oppsettet sjelden brukes for fly med bemanning. Miniatyrisering betyr at mindre kraftige fremdriftsteknologier kan brukes som ikke er mulig for besetningsfly, for eksempel små elektriske motorer og batterier.

Kontrollsystemer for UAV -er er ofte annerledes enn båter med mannskap. For fjernkontroll av mennesker erstatter et kamera og en videolink nesten alltid cockpitvinduene; radiooverførte digitale kommandoer erstatter fysiske cockpitkontroller. Autopilot -programvare brukes på både bemannede og ubesatte fly, med varierende funksjonssett.

Flykonfigurasjon

Den primære forskjellen fra bemannede fly er mangelen på behov for et cockpitområde og vinduene. Noen typer er imidlertid tilpasset fra piloterte eksempler, eller er designet for valgfrie piloterte eller ubemannede driftsmoduser. Luftsikkerhet er også et mindre kritisk krav for ubemannede fly, noe som gir designeren større frihet til å eksperimentere. Disse to faktorene har ført til et stort utvalg av flyrammer og motorkonfigurasjoner i UAV -er.

For konvensjonell flyging tilbyr den flygende vingen og den blandede vingekroppen lett vekt kombinert med lav motstand og stealth , og er populære konfigurasjoner. Større typer som har variabel nyttelast har større sannsynlighet for en distinkt flykropp med hale for stabilitet, kontroll og trim, selv om vingekonfigurasjonene i bruk varierer mye.

For vertikal flyging krever den halefri quadcopter et relativt enkelt kontrollsystem og er vanlig for mindre UAV -er. Imidlertid skalerer mekanismen ikke godt til større fly, som har en tendens til å bruke en konvensjonell enkeltrotor med kollektiv og syklisk stigningskontroll, sammen med en stabiliserende halerotor.

Framdrift

Tradisjonelle forbrennings- og jetmotorer forblir i bruk for droner som krever lang rekkevidde. Men for oppgaver med kortere rekkevidde har elektrisk kraft nesten helt tatt over. Avstandsrekorden for en UAV (bygget av balsatre og mylarskinn) over Nord -Atlanterhavet er inneholdt av et bensinmodellfly eller UAV. Manard Hill "i 2003 da en av hans kreasjoner fløy 1882 miles over Atlanterhavet på mindre enn en liter drivstoff" holder denne rekorden.

I tillegg til den tradisjonelle stempelmotoren, brukes Wankel rotasjonsmotor av noen droner. Denne typen gir høy effekt for lavere vekt, med roligere og mer vibrasjonsfri kjøring. Det er også gjort krav på forbedret pålitelighet og større rekkevidde.

Små droner bruker stort sett litiumpolymerbatterier (Li-Po), mens noen større kjøretøyer har tatt i bruk en hydrogenbrenselcelle . Energitettheten til moderne Li-Po-batterier er langt mindre enn bensin eller hydrogen. Imidlertid er elektriske motorer billigere, lettere og roligere. Komplekse installasjoner med flere motorer og flere propeller er under utvikling med målet om å forbedre aerodynamisk og fremdriftseffektivitet. For slike komplekse kraftinstallasjoner kan batterielimineringskretser (BEC) brukes til å sentralisere strømfordelingen og minimere oppvarming, under kontroll av en mikrokontrollerenhet (MCU).

Ornithopters - vingedrift

Flapping-wing ornithopters , som etterligner fugler eller insekter, har blitt fløyet som mikroUAVer . Deres iboende stealth anbefaler dem for spionoppdrag.

Sub-1g mikroUAVer inspirert av fluer, om enn ved bruk av en kraftbinder, har vært i stand til å "lande" på vertikale overflater. Andre prosjekter etterligner flukten av biller og andre insekter.

Datakontrollsystemer

UAV-databehandlingsevne fulgte fremskrittene innen datateknologi, som begynte med analoge kontroller og utviklet seg til mikrokontrollere, deretter system-on-a-chip (SOC) og enkeltkort-datamaskiner (SBC).

Systemmaskinvare for små UAV kalles ofte flight controller (FC), flight controller board (FCB) eller autopilot.

Arkitektur

Sensorer

Posisjons- og bevegelsessensorer gir informasjon om flyets tilstand. Eksteroceptive sensorer håndterer ekstern informasjon som avstandsmålinger, mens eksproprioceptive korrelerer interne og eksterne tilstander.

Sensorer som ikke er kooperative er i stand til å oppdage mål autonomt, slik at de brukes til separasjonssikring og unngå kollisjoner.

Frihetsgrader (DOF) refererer til både mengden og kvaliteten på sensorer om bord: 6 DOF innebærer 3-aksede gyroskoper og akselerometre (en typisk treghetsmåleenhet-  IMU), 9 DOF refererer til en IMU pluss et kompass, 10 DOF legger til et barometer og 11 DOF legger vanligvis til en GPS -mottaker.

Aktuatorer

UAV -aktuatorer inkluderer digitale elektroniske hastighetskontrollere (som styrer motorens turtall ) knyttet til motorer/ motorer og propeller , servomotorer (for fly og helikoptre for det meste), våpen, nyttelastaktuatorer, lysdioder og høyttalere.

Programvare

UAV -programvare kalt flight stack eller autopilot. Hensikten med flystakken er å skaffe data fra sensorer, kontrollmotorer for å sikre UAV -stabilitet, og forenkle bakkekontroll og kommunikasjonsplanlegging.

UAVer er systemer i sanntid som krever rask respons på endrede sensordata. Som et resultat avhenger UAV-er av enkeltbordsmaskiner for sine beregningsbehov. Eksempler på slike enkeltbrett-datamaskiner inkluderer Raspberry Pis , Beagleboards , etc. skjermet med NavIO , PXFMini , etc. eller designet fra bunnen av, for eksempel NuttX , preemptive- RT Linux , Xenomai , Orocos-Robot Operating System eller DDS-ROS 2.0 .

Oversikt over flystabel
Lag Krav Operasjoner Eksempel
Fastvare Tidskritisk Fra maskinkode til prosessorkjøring, minnetilgang ArduCopter-v1, PX4
Mellomvare Tidskritisk Flykontroll, navigasjon, radiostyring PX4, Cleanflight, ArduPilot
Operativsystem Datakrevende Optisk flyt, hindring av hindringer, SLAM, beslutningstaking ROS, Nuttx, Linux -distribusjoner, Microsoft IOT

Sivil bruk med åpen kildekode inkluderer:

På grunn av åpen kildekode til UAV-programvare, kan de tilpasses for å passe spesifikke applikasjoner. For eksempel har forskere fra det tekniske universitetet i Košice erstattet standardkontrollalgoritmen til PX4 -autopiloten. Denne fleksibiliteten og samarbeidsinnsatsen har ført til et stort antall forskjellige stabler med åpen kildekode, hvorav noen er gaffelt fra andre, for eksempel CleanFlight, som er gaffelt fra BaseFlight og hvorfra tre andre stabler er gafflet fra.

Loop -prinsipper

Typiske flykontrollsløyfer for en multirotor

UAVer bruker åpne-loop, closed-loop eller hybrid kontrollarkitekturer.

  • Åpen sløyfe  - Denne typen gir et positivt kontrollsignal (raskere, langsommere, venstre, høyre, opp, ned) uten å inkludere tilbakemelding fra sensordata.
  • Lukket sløyfe  - Denne typen inneholder sensorfeedback for å justere oppførsel (reduser hastigheten for å reflektere medvind, gå til høyde 300 fot). Den PID-regulatoren er vanlig. Noen ganger brukes feedforward , og overfører behovet for å lukke løkken ytterligere.

Kommunikasjon

UAVer bruker en radio for kontroll og utveksling av video og andre data . Tidlige UAV -er hadde bare smalbåndsopplink . Nedkoblinger kom senere. Disse toveis smalbåndsradioforbindelsene overførte kommando- og kontroll- (C&C) og telemetredata om statusen til flysystemer til den eksterne operatøren.

I de fleste moderne UAV -applikasjoner kreves videooverføring. Så i stedet for å ha separate lenker for C&C, telemetri og videotrafikk, brukes en bredbåndslink til å transportere alle typer data. Disse bredbåndslinkene kan utnytte kvaliteten på tjenesteteknikker og bære TCP/IP -trafikk som kan dirigeres over Internett.

Radiosignalet fra operatørsiden kan sendes fra enten:

  • Jordkontroll - et menneske som driver en radiosender /mottaker, en smarttelefon, et nettbrett, en datamaskin eller den opprinnelige betydningen av en militær bakkekontrollstasjon (GCS) .
  • Eksternt nettverkssystem, for eksempel satellitt dupleks datakoblinger for noen militære makter . Nedstrøms digital video over mobilnett har også kommet inn på forbrukermarkeder, mens direkte UAV -kontrollopplasting over mobilnettet og LTE har blitt demonstrert og er i forsøk.
  • Et annet fly, som fungerer som stafett eller mobil kontrollstasjon-militær bemannet-ubemannet teaming (MUM-T).

Moderne nettverksstandarder har eksplisitt vurdert droner og inkluderer derfor optimaliseringer. 5G-standarden har gitt mandat til redusert brukerflyforsinkelse til 1 ms mens den bruker ekstremt pålitelig og lav latens kommunikasjon.

Autonomi

UAVs grader av autonomi

Autonomienivået i UAV -er varierer mye. UAV -produsenter bygger ofte inn spesifikke autonome operasjoner, for eksempel:

  • Selvnivå: holdningsstabilisering på banen og rulleakser.
  • Høydehold: Flyet beholder høyden ved hjelp av barometrisk trykk og/eller GPS -data.
  • Hover/posisjonshold: Hold nivået og rullingen stabil, stabil kjevning og høyde mens du beholder posisjonen ved hjelp av GNSS eller treghetssensorer.
  • Hodeløs modus: Pitch -kontroll i forhold til pilotens posisjon i stedet for i forhold til bilens akser.
  • Omsorgsfri: automatisk rulle- og giringskontroll mens du beveger deg horisontalt
  • Start og landing (ved bruk av en rekke fly eller bakkebaserte sensorer og systemer; se også " autoland ")
  • Failsafe: automatisk landing eller retur til hjem ved tap av kontrollsignal
  • Retur-til-hjem: Fly tilbake til startpunktet (oppnå ofte høyde først for å unngå mulige mellomliggende hindringer som trær eller bygninger).
  • Følg meg: Behold den relative posisjonen til en pilot eller et annet objekt i bevegelse ved hjelp av GNSS, bildegjenkjenning eller homing beacon.
  • GPS veipunktnavigasjon: Bruke GNSS til å navigere til et mellomliggende sted på en reisevei.
  • Bane rundt et objekt: Ligner på Follow-me, men sirkler kontinuerlig et mål.
  • Forprogrammert aerobatikk (for eksempel ruller og sløyfer)

En tilnærming til kvantifisering av autonome evner er basert på OODA -terminologi, som foreslått av et amerikansk luftvåpenforskningslaboratorium fra 2002 , og brukt i tabellen nedenfor:

X-47B mottar drivstoff fra et Omega K-707 tankskip

Full autonomi er tilgjengelig for spesifikke oppgaver, for eksempel luftbåren tanking eller bakkebasert batteribytte.

Andre tilgjengelige funksjoner eller under utvikling inkluderer; kollektivflyging, kollisjon-unngåelse i sanntid , veggfølge, korridorsentrering, samtidig lokalisering og kartlegging og sverming , kognitiv radio og maskinlæring .

Ytelsehensyn

Flykonvolutt

UAV -er kan programmeres til å utføre aggressive manøvrer eller landing/sitte på skrå flater, og deretter klatre mot bedre kommunikasjonssteder. Noen UAVer kan kontrollere flyging med varierende flymodellisering, for eksempel VTOL -design.

UAV kan også implementere sittende på en flat vertikal overflate.

Utholdenhet

UEL UAV-741 Wankel-motor for UAV-operasjoner
Flytid mot masse av små (mindre enn 1 kg) droner

UAV -utholdenhet er ikke begrenset av de fysiologiske evnene til en menneskelig pilot.

På grunn av sin lille størrelse, lave vekt, lave vibrasjon og høye effekt / vekt -forhold, brukes Wankel roterende motorer i mange store UAV. Motorens rotorer kan ikke gripe; motoren er ikke utsatt for støtkjøling under nedstigning, og den krever ikke en beriket drivstoffblanding for kjøling ved høy effekt. Disse egenskapene reduserer drivstofforbruket, øker rekkevidden eller nyttelasten.

Riktig dronekjøling er avgjørende for langvarig droneutholdenhet. Overoppheting og påfølgende motorfeil er den vanligste årsaken til dronefeil.

Hydrogenbrenselceller , som bruker hydrogenkraft, kan være i stand til å forlenge utholdenheten til små UAV -er, opptil flere timer.

Micro air-kjøretøyers utholdenhet er så langt best oppnådd med flakvingede UAVer, etterfulgt av fly og multirotorer som står sist, på grunn av lavere Reynolds-antall .

Solelektriske UAVer, et konsept som opprinnelig sto for AstroFlight Sunrise i 1974, har oppnådd flytider på flere uker.

Solcelledrevne atmosfæriske satellitter ("atmosater") designet for å operere i høyder over 20 km (12 miles eller 60 000 fot) så lenge som fem år kan potensielt utføre oppgaver mer økonomisk og med mer allsidighet enn satellitter med lav jordbane . Sannsynligvis inkluderer applikasjoner værovervåking , katastrofegjenoppretting , jordavbildning og kommunikasjon.

Elektriske UAVer drevet av mikrobølgeoverføring eller laserstråle er andre potensielle utholdenhetsløsninger.

En annen søknad om en UAV med høy utholdenhet ville være å "stirre" på en slagmark i et langt intervall (ARGUS-IS, Gorgon Stare, Integrated Sensor Is Structure) for å registrere hendelser som deretter kan spilles bakover for å spore slagmarkens aktiviteter.

Langvarige utholdenhetsfly
UAV Flytid
: minutter
Dato Merknader
Boeing Condor 58:11 1989 Flyet er for tiden i Hiller Aviation Museum .

General Atomics Gnat 40.00 1992
TAM-5 38:52 11. august 2003 Minste UAV for å krysse Atlanterhavet

QinetiQ Zephyr Solar Electric 54:00 September 2007
RQ-4 Global Hawk 33:06 22. mars 2008 Sett en utholdenhetsrekord for et fullskala, operativt ubemannet fly.
QinetiQ Zephyr Solar Electric 82:37 28. – 31. Juli 2008
QinetiQ Zephyr Solar Electric 336: 22 9. – 23. Juli 2010

Pålitelighet

Pålitelighetsforbedringer er rettet mot alle aspekter ved UAV -systemer, ved hjelp av resilience engineering og feiltoleranse teknikker.

Individuell pålitelighet dekker robustheten til flykontrollere, for å sikre sikkerhet uten overdreven redundans for å minimere kostnader og vekt. Dessuten tillater dynamisk vurdering av flykonvolutt skade-motstandsdyktige UAVer, ved hjelp av ikke-lineær analyse med ad-hoc-designet løkker eller nevrale nettverk. UAV -programvareansvar bøyer seg mot design og sertifiseringer av avionikkprogramvare .

Swarm resiliens innebærer å opprettholde operasjonelle evner og omkonfigurere oppgaver gitt enhetsfeil.

applikasjoner

I de siste årene har autonome droner begynt å transformere forskjellige applikasjonsområder, ettersom de kan fly utover visuell siktlinje (BVLOS) mens de maksimerer produksjonen, reduserer kostnader og risiko, sikrer stedets sikkerhet, sikkerhet og forskriftsmessig overholdelse og beskytter menneskelig arbeidsstyrke i tider av en pandemi. De kan også brukes til forbrukerrelaterte oppdrag som pakkelevering, som demonstrert av Amazon Prime Air , og kritiske leveranser av helseforsyninger.

Det er mange sivile, kommersielle, militære og romfartsapplikasjoner for UAV -er. Disse inkluderer:

Generell
Rekreasjon , katastrofehjelp , arkeologi , bevaring av biologisk mangfold og habitat , rettshåndhevelse , kriminalitet og terrorisme .
Kommersiell
Luftovervåking , filmskaping , journalistikk , vitenskapelig forskning , landmåling , godstransport , gruvedrift , produksjon , skogbruk , solenergi , termisk energi , havner og landbruk .

Krigføring

Med omfattende kostnadsreduksjoner og fremskritt innen UAV -teknologien, bruker forsvarsstyrker rundt om i verden disse i økende grad til forskjellige applikasjoner som overvåking, logistikk, kommunikasjon, angrep og kamp

Fra 2020 har sytten land bevæpnede UAV, og mer enn 100 land bruker UAV i militær kapasitet. Det globale militære UAV -markedet domineres av selskaper med base i USA, Kina og Israel. Etter salgstall hadde USA over 60% militær markedsandel i 2017. Fire av de fem beste militære UAV-produsentene er amerikanske, inkludert General Atomics , Lockheed Martin , Northrop Grumman og Boeing , etterfulgt av det kinesiske selskapet CASC . Kina har etablert og utvidet sin tilstedeværelse i det militære UAV -markedet siden 2010. Av de 18 landene som er kjent for å ha mottatt militære droner mellom 2010 til 2019, kjøpte de 12 beste alle dronene sine fra Kina. Israelske selskaper fokuserer hovedsakelig på små overvåkings -UAV -systemer og etter mengde droner eksporterte Israel 60,7% (2014) av UAV på markedet mens USA eksporterte 23,9% (2014); Toppimportører av militær UAV er Storbritannia (33,9%) og India (13,2%). USA alene opererte over 9 000 militære UAV i 2014. General Atomics er den dominerende produsenten med Global Hawk and Predator/Mariner systems produktlinje.

For etterretnings- og rekognoseringsoppdrag gir den iboende stealthen av mikro-UAV - flappende ornitoptere , etterlignende fugler eller insekter, potensial for skjult overvåking og gjør dem vanskelige mål å få ned.

Rekognosering , angrep , minerydding og målpraksis

Civil

Wings fly som leverer varer i Vuosaari , Helsinki.

Det sivile (kommersielle og generelle) dronemarkedet domineres av kinesiske selskaper. Den kinesiske droneprodusenten DJI alene hadde 74% av den sivile markedsandelen i 2018, uten at noe annet selskap sto for mer enn 5%, og med 11 milliarder dollar prognostisert globalt salg i 2020. Etter økt granskning av sine aktiviteter, grunnet det amerikanske innenriksdepartementet sin flåte av DJI -droner i 2020, mens justisdepartementet forbød bruk av føderale midler til kjøp av DJI og andre utenlandske UAV -er. DJI blir fulgt av det kinesiske selskapet Yuneec , det amerikanske selskapet 3D Robotics og det franske selskapet Parrot med et betydelig gap i markedsandeler. Fra mai 2021 er 873 576 UAV -er registrert hos FAA i USA, hvorav 42% er kategorisert som kommersielle droner og 58% som fritidsdroner. OD 2018 peker på at forbrukere i økende grad kjøper droner med mer avanserte funksjoner med 33 prosent vekst i både $ 500+ og $ 1000+ markedssegmentene.

Det sivile UAV -markedet er relativt nytt sammenlignet med det militære. Selskaper vokser frem både i utviklede og utviklende nasjoner samtidig. Mange oppstart i tidlig fase har mottatt støtte og finansiering fra investorer, slik tilfellet er i USA og av offentlige etater, slik tilfellet er i India. Noen universiteter tilbyr forsknings- og opplæringsprogrammer eller grader. Private enheter tilbyr også online og personlige opplæringsprogrammer for både fritids- og kommersiell UAV-bruk.

Forbrukerdroner er også mye brukt av militære organisasjoner over hele verden på grunn av forbrukerproduktets kostnadseffektive natur. I 2018 begynte det israelske militæret å bruke DJI Mavic og Matrice -UAV -serien til lett rekognoseringsoppdrag siden de sivile dronene er lettere å bruke og har høyere pålitelighet. DJI -droner er også det mest brukte kommersielle ubemannede luftsystemet som den amerikanske hæren har brukt. DJI -overvåkingsdroner har også blitt brukt av kinesisk politi i Xinjiang siden 2017.

Det globale UAV -markedet vil nå 21,47 milliarder dollar, med det indiske markedet som vil berøre 885,7 millioner dollar, innen 2021.

Lysende droner begynner å bli brukt i nattlige skjermer for kunstneriske og reklame.

Flyfoto

Droner er ideelt egnet for å fange luftbilder i fotografering og kinematografi, og er mye brukt til dette formålet. Små droner unngår behovet for presis koordinering mellom pilot og kameramann, med samme person som tar på seg begge rollene. Imidlertid, store droner med profesjonelle cine -kameraer, det er vanligvis en dronepilot og en kameraoperatør som styrer kameravinkelen og objektivet. For eksempel drives AERIGON kinodrone som brukes i filmproduksjon i store blockbuster -filmer av 2 personer. Droner gir tilgang til farlige, avsidesliggende og vanskelige steder som er utilgjengelige på vanlige måter.

Landbruk og skogbruk

Etter hvert som den globale etterspørselen etter matproduksjon vokser eksponensielt, ressursene tømmes, jordbruksarealet reduseres, og landbruksarbeid er stadig mangelvare, er det et presserende behov for mer praktiske og smartere landbruksløsninger enn tradisjonelle metoder, og landbruksdronen og robotindustrien er forventes å gjøre fremskritt. Landbruksdroner har blitt brukt i områder som Afrika for å bidra til å bygge bærekraftig jordbruk.

Bruken av UAV blir også undersøkt for å hjelpe til med å oppdage og bekjempe branner, enten gjennom observasjon eller oppskytning av pyrotekniske enheter for å starte bakskyt .

Lovhåndhevelse

Politiet kan bruke droner til applikasjoner som søk og redning og trafikkovervåking .

Trygghet og sikkerhet

Amerikansk landbruksdepartementets plakat advarer om risikoen ved å fly UAV -er nær branner

Trusler

Plage

UAV -er kan true luftromsikkerheten på en rekke måter, inkludert utilsiktede kollisjoner eller annen interferens med andre fly, bevisste angrep eller ved å distrahere piloter eller flykontrollører. Den første hendelsen med en drone-fly-kollisjon skjedde i midten av oktober 2017 i Quebec City, Canada. Det første registrerte tilfellet av en dronekollisjon med en luftballong skjedde 10. august 2018 i Driggs, Idaho , USA; Selv om det ikke var noen vesentlig skade på ballongen eller skader på de 3 beboerne, rapporterte ballongpiloten hendelsen til National Transportation Safety Board og uttalte at "Jeg håper denne hendelsen bidrar til å skape en samtale om respekt for naturen, luftrommet og regler og forskrifter". Uautoriserte UAV -flyvninger til eller i nærheten av store flyplasser har ført til utvidede nedleggelser av kommersielle flyvninger.

Droner forårsaket betydelig forstyrrelse på Gatwick flyplass i løpet av desember 2018 , og trengte utplassering av den britiske hæren.

I USA straffes det med en bot på maksimalt 25 000 dollar for å fly nær et skogsbrann. Likevel, i 2014 og 2015, ble brannslokkingsstøtte i California hindret ved flere anledninger, blant annet ved Lake Fire og North Fire . Som svar innførte lovgivere i California et lovforslag som ville tillate brannmenn å deaktivere UAV -er som invaderte begrenset luftrom. FAA krevde senere registrering av de fleste UAV -er.

Sikkerhetsproblemer

I 2017 ble droner brukt til å slippe smugling i fengsler.

Interessen for UAVs cybersikkerhet har økt sterkt etter Predator UAV-videostrømkapring i 2009, der islamske militante brukte billig utstyr på hyllen for å streame videofeed fra en UAV. En annen risiko er muligheten for å kapre eller kaste fast en UAV under flyging. Flere sikkerhetsforskere har offentliggjort noen sårbarheter i kommersielle UAV -er, i noen tilfeller til og med gitt full kildekode eller verktøy for å reprodusere angrepene sine. På en workshop om UAVer og personvern i oktober 2016 viste forskere fra Federal Trade Commission at de var i stand til å hacke seg inn i tre forskjellige forbrukere quadcopters og bemerket at UAV-produsenter kan gjøre sine UAV-er sikrere ved de grunnleggende sikkerhetstiltakene for kryptering av Wi-Fi signal og legge til passordbeskyttelse.

Aggresjon

UAV -er kan lastes med farlige nyttelaster og krasje mot sårbare mål. Nyttelast kan omfatte eksplosiver, kjemiske, radiologiske eller biologiske farer. UAV-er med generelt ikke-dødelig nyttelast kan muligens bli hacket og brukt til ondsinnede formål. Anti-UAV-systemer utvikles av stater for å motvirke denne trusselen. Dette viser seg imidlertid vanskelig. Som Dr. J. Rogers uttalte i et intervju til A&T "Det er en stor debatt der ute for øyeblikket om hva den beste måten er å motvirke disse små UAV -ene, om de brukes av hobbyfolk som forårsaker litt plage eller mer skummel måte av en terroristaktør ".

Motforanstaltninger

Mot ubemannet luftsystem

Italienske hærsoldater fra det 17. luftvernartilleriregimentet "Sforzesca" med en bærbar [1] CPM-Drone Jammer i Roma

Den ondsinnede bruken av UAV har ført til utvikling av teknologier for ubemannet luftsystem (C-UAS) som Aaronia AARTOS som er installert på store internasjonale flyplasser. Anti-fly missilsystemer, for eksempel Iron Dome, blir også forbedret med C-UAS-teknologier.

Regulering

Tilsynsmyndigheter rundt om i verden utvikler løsninger for trafikkstyring av ubemannede flysystemer for bedre å integrere UAVer i luftrommet.

Bruken av ubemannede luftfartøyer (UAVer) eller droner blir stadig mer regulert av den nasjonale luftfartsmyndigheten i enkeltland. Reguleringsregimer kan variere vesentlig i henhold til dronestørrelse og bruk. Den internasjonale sivile luftfartsorganisasjonen (ICAO) begynte å undersøke bruken av droneteknologi helt tilbake til 2005, noe som resulterte i en rapport fra 2011. Frankrike var blant de første landene som satte en nasjonal ramme basert på denne rapporten, og større luftfartsorganer som FAA og EASA fulgte raskt etter. I 2021 publiserte FAA en regel som krever at alle kommersielt brukte UAVer og alle UAVer uavhengig av intensjon som veier 250 g eller mer, skal delta i Remote ID , noe som gjør dronesteder, kontrollplasseringer og annen informasjon offentlig fra start til nedleggelse; denne regelen har siden blitt utfordret i det pågående føderale søksmålet RaceDayQuads v. FAA .

Eksportkontroller

Eksporten av UAVer eller teknologi som kan bære en nyttelast på 500 kg minst 300 km er begrenset i mange land av Missile Technology Control Regime .

Se også

Referanser

Sitater

Bibliografi

Eksterne linker

Videre lesning