Беспилотники дистанционного зондирования: "Эльф" – широкое применение.
В последние годы беспилотные летательные аппараты (БПЛА), оснащенные полезной нагрузкой, такой как фото- и видеооборудование, управляемые пилотами или автономно системами управления полетом, играют все более важную роль в приложениях дистанционного зондирования, таких как геодезия и картография, снижение рисков стихийных бедствий и реагирование на чрезвычайные ситуации, и стали новым членом семейства дистанционного зондирования. БПЛА известны как «эльфы» семейства дистанционного зондирования благодаря своей малой мобильности, полету на малых высотах, высокому пространственно-временному разрешению, разнообразной и гибкой конфигурации нагрузки и другим характеристикам. Однако у этого «эльфа» есть и большое применение! Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) обычно называют беспилотным летательным аппаратом. Как правило, это летательный аппарат, приводимый в движение двигателем и не имеющий оператора, использующий аэродинамическую силу для обеспечения необходимой подъемной силы, способный летать автономно или дистанционно, одноразово используемый и подлежащий повторному использованию, а также способный нести летальную или нелетальную полезную нагрузку, например, для фотосъемки, трансляции наркотиков, воспроизведения звука и т. д.
Беспилотники — не новинка, их разработка велась на протяжении столетий. В 1917 году Королевский авиационный институт Великобритании впервые объединил аэродинамику, легкие двигатели и радиосвязь для создания первого в мире беспилотного летательного аппарата. В декабре того же года американский изобретатель Элмер Спи совершил первый полет на «воздушной торпеде», используя изобретенный им гироскоп и систему радиоуправления, разработанную американской компанией Western Electric. Вначале беспилотники использовались в основном в военной сфере. С наступлением XXI века, с быстрым развитием современной электроники, высокоточной техники, навигации и позиционирования, дистанционного зондирования и других смежных технологий, применение беспилотных летательных аппаратов в гражданской сфере становится все более широким, и формируется целая индустрия.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) можно классифицировать по назначению, аэродинамической компоновке, типу питания, размеру и весу, скорости полета, радиусу действия, высоте полета и другим параметрам. По назначению дроны делятся на военные, гражданские и потребительские. Военные БПЛА подразделяются на разведывательные, средства радиоэлектронной борьбы, ретрансляционные, ударные и беспилотные целеуказатели. Гражданские БПЛА делятся на аппараты различного назначения для инспекции, наблюдения, картографирования и обнаружения, а также сельскохозяйственные БПЛА; потребительские дроны в основном используются для развлекательных целей, таких как личная аэрофотосъемка и игры.
В зависимости от аэродинамической компоновки БПЛА можно разделить на БПЛА с неподвижным крылом, БПЛА с вращающимся крылом, БПЛА с машущим крылом и комбинированной компоновки. БПЛА с неподвижным крылом используют силовой агрегат для создания тяги или подъемной силы во время полета, при этом основной профиль крыла, создающий подъемную силу, является фиксированным и не изменяется относительно фюзеляжа, в основном в виде обычной компоновки, компоновки «утиного крыла», бесхвостого или летающего крыла, трехлопастного профиля и т. д. Лопасти несущего винта вертолетов вращаются относительно фюзеляжа во время полета и могут быть разделены на беспилотные вертолеты, многороторные дроны и беспилотные вертолеты. Первые два типа БПЛА-вертолетов приводятся в движение непосредственно силовым агрегатом и могут взлетать и садиться вертикально, а также зависать в воздухе, в то время как вертолеты беспилотных вертолетов не имеют собственного двигателя. БПЛА типа «орнитоптер» использует крылья, которые машут вверх и вниз, подобно крыльям птиц, для получения подъемной силы и мощности, что подходит для малых и миниатюрных БПЛА; Беспилотные летательные аппараты комбинированной компоновки представляют собой сочетание основных типов, в основном включающих БПЛА с поворотными винтами и БПЛА с вращающимися и неподвижными крыльями.
В зависимости от типа источника энергии беспилотные летательные аппараты (БПЛА) в основном делятся на два типа: БПЛА с дизельным двигателем и БПЛА с электрическим двигателем. В последние годы наблюдается непрерывное развитие БПЛА, использующих солнечную энергию и водородные топливные элементы в качестве основного источника энергии.
По размеру и весу дроны можно разделить на микро-дроны, легкие малые дроны, малые дроны, средние дроны и большие дроны. Микро-дроны обычно весят менее 1 килограмма и имеют размер менее 15 сантиметров. Вес легких и малых дронов обычно составляет от 1 до 7 кг, вес малых дронов — от 1 до 200 кг, а вес дронов среднего размера — от 200 до 500 кг.
Сейчас дроны стали новым фаворитом среди детей и больших друзей среди игрушек – потребительские дроны, как правило, используют недорогие многороторные платформы, в основном для аэрофотосъемки, игр и других развлекательных целей. Внутренний рынок потребительских дронов пережил бурный рост примерно в 2012 году. До этого дроны в основном использовались в промышленной сфере, а потребительский рынок состоял преимущественно из любителей и энтузиастов моделей самолетов. В настоящее время развитие китайской индустрии БПЛА демонстрирует тенденцию к «взрывному» росту: помимо научно-исследовательских институтов и университетов, связанных с авиацией и аэрокосмической отраслью, многие частные предприятия присоединились к рядам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Исследования и разработки гражданских БПЛА и их применение находятся в самом разгаре, а применение китайских БПЛА в сфере потребительских развлечений и других областях занимает лидирующие позиции в мире.
Быстро развивающиеся беспилотные летательные аппараты (БПЛА) стали перспективной платформой для дистанционного зондирования, широко используемой в таких областях, как аэрофотосъемка местности, сельское хозяйство, лесное хозяйство и защита растений, мониторинг атмосферы, ликвидация последствий стихийных бедствий, национальная оборона и безопасность, после оснащения различными устройствами дистанционного зондирования.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) обладают сверхвысоким разрешением и высокой частотой съемки, что дополняет возможности спутникового дистанционного зондирования. По сравнению с дистанционной съемкой с участием человека и машины, они имеют более высокую стоимость и маневренность. Возможность наблюдения в реальном времени с помощью БПЛА трудно реализовать на существующих спутниковых платформах дистанционного зондирования. Спутниковое дистанционное зондирование может предоставлять изображения с разрешением менее метра, но чем выше разрешение, тем больше период повторной съемки спутника. Изображения, полученные с помощью БПЛА, легко предоставляют информацию о местности с разрешением в сантиметры и даже выше, при этом отсутствует противоречие между высоким пространственным и временным разрешением, и диалектическое единство пространства и времени достигается при низкой стоимости. Можно сказать, что появление и быстрое развитие дистанционного зондирования с помощью БПЛА сделали научные исследования в области дистанционного зондирования большим шагом вперед от макроуровня к микроуровню. По сравнению с высокой стоимостью и централизованным управлением спутниковыми платформами, платформа БПЛА позволяет ввести в эпоху популяризации сбора данных дистанционного зондирования и действительно реализовать применение дистанционного зондирования для пользователя.
Благодаря уникальным преимуществам дистанционного зондирования с помощью БПЛА, во многих областях, где ранее применение спутниковых данных было недостаточно эффективным или невозможным, теперь можно успешно использовать дистанционное зондирование с помощью БПЛА. Например, использование гиперспектрального дистанционного зондирования с помощью БПЛА позволяет классифицировать и идентифицировать виды на поверхности, обнаруживать и идентифицировать инвазивные виды с помощью гиперспектральных данных, а также предоставлять данные для защиты окружающей среды. Другой пример: дистанционное зондирование с помощью БПЛА создало удобные условия для отбора проб в экстремальных условиях и сбора данных, предоставляя данные из первых рук для многих исследований и способствуя ряду новых научных открытий. С 2010 года НАСА помогает создавать систему тонкой структуры для тайфунов, успешно отслеживая траектории пяти атлантических ураганов с помощью высотного беспилотного летательного аппарата GlobalHawk с большой продолжительностью полета. В 2017 году многонациональная группа исследователей использовала дроны, оснащенные камерами и другими датчиками, для съемки извержения вулкана на Огненной Земле в Гватемале, чтобы измерить данные и смоделировать динамический процесс.
Особо следует отметить, что дистанционное зондирование с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) сыграло ключевую роль в мониторинге стихийных бедствий. В последние годы дроны можно наблюдать в ходе крупных чрезвычайных ситуаций, связанных со стихийными бедствиями: в 2008 году при спасательных работах во время землетрясения в Вэньчуане была применена технология дистанционного зондирования с помощью дронов; позже, при ликвидации последствий крупных стихийных бедствий, таких как оползень в Маосяне, провинция Сычуань, разлив нефти в Даляне, крупный взрыв опасных химических веществ в порту Тяньцзиня и других чрезвычайных ситуациях, дроны сыграли важную роль.
В сфере промышленного применения беспилотные летательные аппараты стали стандартом для инспекции инфраструктуры нефтегазовой отрасли, линий электропередачи и фотоэлектрических электростанций. В некоторых государственных ведомствах беспилотники постепенно интегрируются в бизнес-системы, например, в департаментах охраны окружающей среды их используют для инспекции и устранения сбросов сточных вод в реки. Высокочастотная, быстродействующая платформа беспилотников и изображения с точностью до сантиметра значительно облегчают повседневную работу подразделений, занимающихся охраной окружающей среды.
Благодаря удобству и гибкости, а также широкому участию общественности, инновации в области беспилотных летательных аппаратов также очень активны и быстро развиваются. Глубокое сочетание дистанционного зондирования с помощью БПЛА и других смежных технических областей продемонстрировало большое количество широких областей применения, что называется применением БПЛА «дистанционное зондирование +». Например, в режиме реального времени передача данных «дистанционное зондирование + данные» с помощью БПЛА имеет большое значение для военных целей, ликвидации последствий стихийных бедствий и спасательных работ, а многие операции по мониторингу национальной безопасности и оказанию помощи при стихийных бедствиях полагаются на дистанционное зондирование с помощью БПЛА и передачу данных в режиме реального времени для предоставления своевременной информации для принятия решений.
В контексте концепции «дистанционное зондирование + позиционирование в реальном времени и технология построения карт (SLAM)» сочетание БПЛА и SLAM повышает эффективность навигации и предотвращения столкновений с препятствиями, а также открывает важные перспективы применения в интеллектуальном сборе данных и автономном полете БПЛА.
В рамках концепции «дистанционное зондирование + технологии принятия и выполнения решений» достигнута интеграция «дистанционного зондирования с помощью БПЛА + идентификация + планирование задач + выполнение задач». Например, дистанционное зондирование с помощью дронов позволяет осуществлять дистанционный мониторинг сельскохозяйственных условий на полях, формировать карты распространения болезней и вредителей, планировать рациональные маршруты, проводить точное опрыскивание пестицидами, а также интегрировать стационарные наблюдения с дистанционным зондированием с принятием решений и их реализацией в режиме реального времени.
В контексте «дистанционного зондирования + планирования маршрутов на малых высотах» современные разнообразные потребности в применении БПЛА в основном связаны с полетами на малых высотах. Большинство «низколетающих, медленных и небольших» БПЛА сосредоточены в приземном воздушном пространстве на высоте менее 500 метров, а изменения поверхности этого воздушного пространства разнообразны, ситуация сложна, и проблемы безопасности и эффективности полетов весьма актуальны. Поэтому низколетящие воздушные маршруты, особенно общедоступные низколетящие маршруты БПЛА в городских районах, приобретают все большее значение. Требуется тщательное планирование. Эффективность сбора данных с помощью традиционных статистических каналов низка, и использование высокоточных и динамических данных дистанционного зондирования БПЛА в городских районах для планирования маршрутов на малых высотах стало передовым направлением исследований, и Китай активно изучает этот аспект.
В контексте концепции «дистанционное зондирование + региональная сеть», несмотря на высокую эффективность и пространственное разрешение БПЛА в области дистанционного зондирования, зона покрытия невелика, и удовлетворить потребности в дистанционном зондировании с помощью БПЛА в крупных региональных приложениях сложно. Например, с помощью определенной организационной модели и технической системы планируется и развертывается национальная распределенная система дистанционного зондирования с использованием БПЛА для создания крупномасштабной, высокочастотной, быстродействующей системы дистанционного мониторинга с сантиметровым разрешением, позволяющей выполнять задачи измерения на больших территориях. В целом, применение и развитие БПЛА сформировали тенденцию во всей области, и благодаря сильному спросу на их использование и мощной поддержке развития новых технологий, ожидается дальнейшее развитие БПЛА.