طائرات الاستشعار عن بعد بدون طيار: "إلف" لها استخدام كبير

في السنوات الأخيرة، لعبت منصات الطائرات المسيّرة (UAV) المزودة بحمولات مهام مثل معدات التصوير، والتي يتحكم بها طيارون أو أنظمة تحكم طيران ذاتية، دورًا متزايد الأهمية في تطبيقات الاستشعار عن بُعد، كالمسح ورسم الخرائط، والحد من الكوارث والاستجابة للطوارئ، لتصبح بذلك عضوًا جديدًا في عائلة الاستشعار عن بُعد. تُعرف الطائرات المسيّرة بـ"الجني" في عائلة الاستشعار عن بُعد نظرًا لصغر حجمها، وتحليقها على ارتفاعات منخفضة، ودقتها المكانية والزمانية العالية، وتنوع ومرونة تكوين حمولاتها، وغيرها من الخصائص. ومع ذلك، فإن لهذه "الجني" استخدامات عظيمة! يُشار إلى الطائرة المسيّرة (UAV) عادةً باسم مركبة جوية غير مأهولة (UAV). وهي عمومًا مركبة جوية تعمل بالطاقة ولا تحمل مُشغِّلًا، وتستخدم القوة الديناميكية الهوائية لتوفير الرفع اللازم، ويمكنها الطيران ذاتيًا أو عن بُعد، ويمكن استخدامها لمرة واحدة وإعادة تدويرها، كما يمكنها حمل حمولات مهام فتاكة أو غير فتاكة، مثل التقاط الصور، وبث الأدوية، وتشغيل الصوت، وما إلى ذلك.

ليست الطائرات المسيّرة ظاهرة جديدة، فقد طُوّرت على مدى قرون. ففي عام ١٩١٧، جمع المعهد الملكي للملاحة الجوية في المملكة المتحدة بين الديناميكا الهوائية والمحركات خفيفة الوزن وأجهزة الراديو لتطوير أول طائرة بدون طيار في العالم. وفي ديسمبر من العام نفسه، أكمل المخترع الأمريكي إلمر سبي أول رحلة تجريبية لـ"طوربيد جوي" باستخدام جيروسكوب من اختراعه ونظام تحكم لاسلكي طورته شركة ويسترن إلكتريك الأمريكية. في البداية، اقتصر استخدام الطائرات المسيّرة على المجال العسكري. ومع دخول القرن الحادي والعشرين، ومع التطور السريع للإلكترونيات الحديثة، والآلات الدقيقة، والملاحة وتحديد المواقع، والاستشعار عن بُعد، وغيرها من التقنيات ذات الصلة، اتسع نطاق استخدام الطائرات المسيّرة في المجال المدني، ونشأت صناعة متخصصة في هذا المجال.

يمكن تصنيف الطائرات بدون طيار وفقًا لوظيفة استخدامها، وتصميمها الديناميكي الهوائي، ونوع الطاقة، وحجمها ووزنها، وسرعة طيرانها، ونطاق عملها، وارتفاع طيرانها، وغيرها من المعايير. وبحسب وظيفة الاستخدام، تُقسم الطائرات بدون طيار إلى طائرات عسكرية، وطائرات مدنية، وطائرات استهلاكية. وتشمل الطائرات العسكرية طائرات الاستطلاع، وطائرات الحرب الإلكترونية، وطائرات ترحيل الاتصالات، وطائرات الهجوم، وطائرات الأهداف غير المأهولة. أما الطائرات المدنية، فتشمل طائرات التفتيش والمراقبة ورسم الخرائط والكشف، بالإضافة إلى الطائرات الزراعية. وتُستخدم الطائرات الاستهلاكية بشكل أساسي لأغراض الترفيه، مثل التصوير الجوي الشخصي والألعاب.

بحسب التصميم الديناميكي الهوائي، يمكن تقسيم الطائرات بدون طيار إلى طائرات ثابتة الجناح، وطائرات دوارة الجناح، وطائرات ذات جناحين، وطائرات ذات تصميم مركب. تعتمد الطائرات ثابتة الجناح على محرك لتوليد قوة الدفع الأمامية أثناء الطيران، ويكون الجناح الرئيسي المسؤول عن توليد قوة الرفع ثابتًا وغير متغير بالنسبة لجسم الطائرة، ويتخذ أشكالًا مختلفة، منها التصميم التقليدي، والتصميم البطّي، والتصميم بدون ذيل أو الجناح الطائر، والتصميم ثلاثي الأجنحة، وغيرها. أما الطائرات الدوارة، فتدور شفراتها بالنسبة لجسم الطائرة أثناء الطيران، ويمكن تقسيمها إلى طائرات هليكوبتر بدون طيار، وطائرات بدون طيار متعددة المراوح، وطائرات دوارة بدون طيار. النوعان الأولان من الطائرات الدوارة يعملان بمحرك مباشر، ويمكنهما الإقلاع والهبوط عموديًا والتحليق، بينما الطائرات الدوارة بدون طيار لا تعمل بمحرك. تعتمد طائرات أورنيثوبتروس بدون طيار على رفرفة أجنحتها لأعلى ولأسفل، مثل أجنحة الطيور، لتوليد قوة الرفع والطاقة، وهي مناسبة للطائرات الصغيرة والمتناهية الصغر. تتكون الطائرات بدون طيار ذات التصميم المركب من مزيج من الأنواع الأساسية، والتي تشمل بشكل رئيسي الطائرات بدون طيار ذات الدوار المائل والطائرات بدون طيار ذات الأجنحة الدوارة/الثابتة.

وفقًا لنوع الطاقة، تنقسم الطائرات بدون طيار بشكل أساسي إلى نوعين: الطائرات بدون طيار التي تعمل بالزيت والطائرات بدون طيار التي تعمل بالكهرباء، وفي السنوات الأخيرة، تم تطوير الطائرات بدون طيار التي تعمل بالطاقة الشمسية وخلايا وقود الهيدروجين كمصدر أساسي للطاقة بشكل مستمر.

بحسب الحجم والوزن، تُصنّف الطائرات المسيّرة إلى طائرات صغيرة جدًا، وطائرات صغيرة خفيفة، وطائرات صغيرة، وطائرات متوسطة، وطائرات كبيرة. يقل وزن الطائرات الصغيرة جدًا عمومًا عن كيلوغرام واحد، ويقل طولها عن 15 سنتيمترًا. ويتراوح وزن الطائرات الصغيرة والخفيفة عادةً بين كيلوغرام واحد وسبعة كيلوغرامات، بينما يتراوح وزن الطائرات الصغيرة بين كيلوغرام واحد و200 كيلوغرام، أما وزن الطائرات المتوسطة فيتراوح بين 200 و500 كيلوغرام.

أصبحت الطائرات المسيّرة اليوم لعبةً مفضلةً لدى الكثير من الأطفال، حيث تُستخدم عادةً في التصوير الجوي والألعاب وغيرها من الأنشطة الترفيهية. وقد شهد سوق الطائرات المسيّرة الاستهلاكية في الصين طفرةً كبيرةً حوالي عام 2012. قبل ذلك، كانت الطائرات المسيّرة تُستخدم بشكل رئيسي في المجال الصناعي، وكان السوق الاستهلاكي مقتصراً في الغالب على هواة الطائرات النموذجية. أما اليوم، فيشهد قطاع الطائرات المسيّرة في الصين نمواً متسارعاً، فبالإضافة إلى مؤسسات البحث العلمي والجامعات المتخصصة في الطيران والفضاء، انضمت العديد من الشركات الخاصة إلى هذا المجال، ما يجعل البحث والتطوير في مجال الطائرات المسيّرة المدنية في أوج ازدهاره، وقد تبوأت الصين مكانةً رائدةً عالمياً في استخدام الطائرات المسيّرة في مجالات الترفيه وغيرها.

أصبحت الطائرات بدون طيار سريعة التطور منصة استشعار عن بعد ناشئة، والتي تستخدم على نطاق واسع في مجالات المسح الجوي للأراضي والزراعة والغابات وحماية النباتات والكشف عن الغلاف الجوي والإغاثة في حالات الكوارث والدفاع والأمن القومي بعد تجهيزها بأجهزة استشعار عن بعد متنوعة.

تتمتع تقنية الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة بقدرات فائقة الدقة وعالية التردد، مما يُكمّل قدرات الاستشعار عن بُعد عبر الأقمار الصناعية. وبالمقارنة مع الاستشعار عن بُعد البشري، تتميز هذه التقنية بكفاءة أعلى من حيث التكلفة وسهولة المناورة. يصعب تحقيق قدرة المراقبة الآنية التي توفرها الطائرات المسيّرة على منصات الاستشعار عن بُعد الحالية عبر الأقمار الصناعية. صحيح أن الاستشعار عن بُعد عبر الأقمار الصناعية يُتيح صورًا بدقة أقل من متر، إلا أن زيادة الدقة تتطلب فترة إعادة زيارة أطول للقمر الصناعي. بينما تُوفر صور الطائرات المسيّرة معلومات أرضية بدقة تصل إلى سنتيمترات أو أكثر، دون أي تناقض بين الدقة المكانية العالية والدقة الزمنية، مما يُحقق التكامل بين المكان والزمان بتكلفة منخفضة. يُمكن القول إن ظهور وتطور تقنية الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة قد شكّل نقلة نوعية في أبحاث الاستشعار عن بُعد، إذ انتقلت من المستوى الكلي إلى المستوى الجزئي. وبالمقارنة مع التكلفة العالية والإدارة المركزية لمنصات الأقمار الصناعية، تُتيح منصة الطائرات المسيّرة إمكانية الوصول إلى بيانات الاستشعار عن بُعد على نطاق واسع، وتُحقق فعليًا تطبيقات الاستشعار عن بُعد للمستخدم.

بفضل المزايا الفريدة للاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة، يُمكن الاستفادة من هذه التقنية في العديد من المجالات التي لم تكن فيها بيانات الأقمار الصناعية فعّالة أو مُمكنة في السابق. فعلى سبيل المثال، يُمكن استخدام الاستشعار الطيفي الفائق بواسطة الطائرات المسيّرة لتصنيف وتحديد أنواع الكائنات الحية على سطح الأرض، واكتشاف وتحديد غزو الأنواع الغريبة، وتوفير بيانات داعمة لحماية البيئة. كما وفّرت هذه التقنية ظروفًا ملائمة لأخذ عينات من البيئات القاسية وجمع البيانات، مما وفّر بيانات مباشرة للعديد من الدراسات وساهم في اكتشافات علمية جديدة. ومنذ عام 2010، ساهمت وكالة ناسا في بناء نظام دقيق لرصد الأعاصير بعد نجاحها في مراقبة مسارات خمسة أعاصير في المحيط الأطلسي باستخدام طائرة GlobalHawk المسيّرة عالية الارتفاع وطويلة المدى. في عام 2017، استخدم فريق متعدد الجنسيات من الباحثين طائرات بدون طيار مزودة بكاميرات وأجهزة استشعار أخرى لتصوير ثوران بركان في تييرا ديل فويغو، غواتيمالا، لقياس البيانات ونمذجة العملية الديناميكية.

تجدر الإشارة بشكل خاص إلى أن الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة قد لعب دورًا محوريًا في رصد الكوارث عن بُعد. ففي السنوات الأخيرة، برز استخدام الطائرات المسيّرة في حالات الطوارئ الناجمة عن الكوارث الطبيعية الكبرى: ففي عمليات الإنقاذ خلال زلزال ونتشوان عام 2008، تم توظيف تقنية الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة؛ وفي كوارث طبيعية كبرى لاحقة، مثل انهيار أرضي في ماوكسيان بمقاطعة سيتشوان، وحادثة تسرب النفط في داليان، وحادثة الانفجار الكيميائي الخطير في ميناء تيانجين، وغيرها من عمليات الإغاثة الطارئة، لعبت الطائرات المسيّرة دورًا هامًا.

في مجال التطبيقات الصناعية، أصبح استخدام الطائرات المسيّرة في فحص البنية التحتية لمحطات النفط والغاز، ونقل الطاقة، والطاقة الشمسية أمرًا شائعًا. وفي بعض الدوائر الحكومية، يجري دمج الطائرات المسيّرة تدريجيًا في أنظمة العمل، مثل دوائر حماية البيئة التي تستخدمها لفحص ومعالجة تصريف مياه الصرف الصحي في الأنهار. وتُسهم منصة الطائرات المسيّرة عالية التردد وسريعة الاستجابة، فضلًا عن صورها عالية الدقة (بمستوى السنتيمتر)، في دعم العمليات اليومية الروتينية لوحدات حماية البيئة.

بفضل سهولة الاستخدام والمرونة، والمشاركة العامة الواسعة، يشهد ابتكار الطائرات المسيّرة نشاطًا وتطورًا سريعًا. وقد أظهر التكامل العميق بين الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة والمجالات التقنية الأخرى ذات الصلة عددًا كبيرًا من التطبيقات الواسعة، وهو ما يُعرف بتطبيق "الاستشعار عن بُعد +" للطائرات المسيّرة. فعلى سبيل المثال، في مجال النقل الفوري للبيانات ضمن "الاستشعار عن بُعد +"، يُعدّ الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة بالغ الأهمية للأغراض العسكرية، والحدّ من الكوارث الطارئة وعمليات الإنقاذ، كما تعتمد العديد من عمليات مراقبة الأمن الداخلي والإغاثة في حالات الكوارث على الاستشعار عن بُعد بواسطة الطائرات المسيّرة والنقل الفوري للبيانات لتوفير معلومات آنية لاتخاذ القرارات.

فيما يتعلق بـ "الاستشعار عن بعد + تحديد المواقع في الوقت الحقيقي وتقنية بناء الخرائط (SLAM)"، فإن الجمع بين الطائرات بدون طيار وتقنية SLAM يعزز الملاحة وتجنب العوائق للطائرات بدون طيار، وله آفاق تطبيق مهمة في الحصول على البيانات الذكية والتحليق الذاتي للطائرات بدون طيار.

فيما يتعلق بتقنية "الاستشعار عن بعد + اتخاذ القرار والتنفيذ"، فقد تحقق التكامل بين "الاستشعار عن بعد بواسطة الطائرات المسيّرة + تحديد الهوية + تخطيط المهام + تنفيذ المهام". فعلى سبيل المثال، يمكن للاستشعار عن بعد بواسطة الطائرات المسيّرة رصد الظروف الزراعية في الحقول عن بُعد، ورسم خريطة توصية للأمراض والآفات، وتخطيط مسارات مناسبة، وتنفيذ رش دقيق للمبيدات، ودمج المراقبة الثابتة عن بُعد مع اتخاذ القرارات والتنفيذ في الوقت الفعلي.

فيما يتعلق بـ"الاستشعار عن بُعد وتخطيط المسارات على ارتفاعات منخفضة"، تتركز الاحتياجات التطبيقية المتنوعة الحالية للطائرات بدون طيار بشكل أساسي على ارتفاعات منخفضة. وتتركز معظم الطائرات بدون طيار "المنخفضة والبطيئة والصغيرة" في المجال الجوي القريب من سطح الأرض على ارتفاع أقل من 500 متر، حيث تتسم التغيرات السطحية في هذا المجال الجوي بالتنوع والتعقيد، وتبرز مشاكل سلامة الطيران وكفاءته. لذا، تكتسب المسارات الجوية على ارتفاعات منخفضة، وخاصة المسارات العامة للطائرات بدون طيار في المناطق الحضرية، أهمية بالغة، مما يستلزم تخطيطًا دقيقًا. ونظرًا لانخفاض كفاءة جمع البيانات عبر القنوات الإحصائية التقليدية، فقد أصبح استخدام بيانات الاستشعار عن بُعد عالية الدقة والديناميكية للطائرات بدون طيار في المناطق الحضرية لخدمة تخطيط المسارات على ارتفاعات منخفضة مجالًا بحثيًا رائدًا، وقد تبوأت الصين مكانة رائدة في استكشاف هذا الجانب بنشاط.

فيما يتعلق بمفهوم "الاستشعار عن بُعد والشبكات الإقليمية"، فرغم قوة قدرات الاستشعار عن بُعد للطائرات المسيّرة ودقتها المكانية العالية، إلا أن مساحة تغطيتها محدودة، مما يصعب معه تلبية الطلب على الاستشعار عن بُعد في التطبيقات الإقليمية واسعة النطاق. على سبيل المثال، من خلال نموذج تنظيمي ونظام تقني محدد، يتم تخطيط ونشر موارد الاستشعار عن بُعد الموزعة على المستوى الوطني للطائرات المسيّرة لإنشاء نظام مراقبة عن بُعد عالي التردد وسريع الاستجابة بدقة تصل إلى سنتيمترات، يغطي مساحة واسعة، وذلك لإنجاز مهام القياس على نطاق واسع. عمومًا، يشهد استخدام الطائرات المسيّرة وتطويرها اتجاهًا متزايدًا في مختلف المجالات، ومع ازدياد الطلب على تطبيقاتها ودعم تطوير التقنيات الحديثة، يُتوقع أن يشهد هذا المجال تطورًا ملحوظًا في المستقبل.