Децентрализация управления беспилотным воздушным движением

Введение

Скорость изменений в беспилотной авиации столь велика, что самые последние разработки в этой сфере устаревают, не успев пройти стадию технического проекта, это касается и ведущихся сейчас в Российской Федерации работ по созданию систем управления беспилотным воздушным движением в рамках Национальной технологической инициативы и других госпрограмм.

Ассоциация «Аэронекст», субоператор конкурса «Аэрологистика» Фонда поддержки проектов Национальной технологической инициативы, заявила о возможности запуска в 2028 году первого регулярного маршрута беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) по доставке грузов между Санкт-Петербургом и Москвой.

Ключевой технологический момент для работы такого маршрута – система управления беспилотным воздушным движением (УБВД), позволяющая дронам автоматически уклоняться от столкновения с другими пилотируемыми или беспилотными воздушными судами (ВС), движущимися по непрогнозируемой траектории. Финальные испытания «Аэрологистики», проведенные в сентябре 2024 года, показали наличие технологий для решений этой задачи при участии в конфликте двух БПЛА. Следующим этапом «Аэронекст» видит разрешение конфликта для пяти ВС. Сходные в части уклонения от столкновений результаты показаны при испытаниях в 2024 году УБВД «Юпитер» разработки компании «Азимут» (дочерняя структура «Ростеха»). «Юпитер» вырос из «Галактики» – известной системы управления воздушным движением (УВД), используемой в качестве базового технологического решения в опытным районе применения беспилотных авиационных систем «Купол» – проекте Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, реализуемом в рамках программы Минобрнауки «Приоритет-2030». Мало отличаются от отечественных в смысле возможностей разрешения конфликтов и общего направления развития зарубежные проекты УБВД, например CORUS-XUAM и PJ34 в Европейском союзе, UTM в США, Open-access UTM в Великобритании, UOMS в Китае, JUTM в Японии [1].

Тренд всех упомянутых разработок УБВД – постепенное наращивание числа участников конфликтов – представляется естественным, но отнюдь не оптимальным, не учитывающим скорость перемен в сфере беспилотной авиации. Скорость эта разительна, что убедительнейшим образом подтверждается происходящим сейчас в боевом сегменте данной сферы с появлением масс малых БПЛА. Для гражданских применений БПЛА главный грядущий вызов обусловлен тем, что доставка малыми дронами без управления операторами онлайновых покупок является ближайшим будущим массового ритейла [2], процесс уже активно пошел в странах с соответствующей ему инфраструктурой. Это означает миллиарды доставок с помощью БПЛА в год. Такая перспектива императивно предполагает необходимость решения как главной для УБВД проблемы конфликтных ситуаций с БПЛА со следующими ориентировочными параметрами:

а) участники конфликтов – автономные самоуправляющиеся малые БПЛА (авиадроны, АД);

б) число одновременных участников конфликтов – десятки, возможно, сотни;

в) частота и плотность возникновения конфликтов – сотни на кубический километр в течение часа;

г) локализация конфликтов – несколько сот метров над землей.

Нынешние системы управления воздушным движением как основа для УБВД малополезны – даже простое наблюдение воздушной обстановки в виде роев из тысяч АД (см. характерное название работы [3]) на сегодняшних плоских экранах невозможно, решение проблемы уже активно ищется в ведущих мировых центрах аэронавигации в поле технологий расширенной реальности. Невозможно прогнозирование и разрешение массовых конфликтов АД из единого центра УВД.

Как следствие, ключевым словом для УБВД ближайшего будущего будет «децентрализация» или «распределенность». Данный феномен характерен для любых систем массового обслуживания с интенсивным стохастическим трафиком, примерами могут служить интернет с распределенным управлением маршрутизацией информационных пакетов или блокчейн с распределенным управлением распределенной базой данных.

Применительно к УБВД децентрализация означает разрешение конфликтных ситуаций «на месте», со случайным присвоением роли диспетчера одному из участников конфликта (им, скорее всего, будет первый АД, обнаруживший конфликт) и автоматической передачей этой роли. Из чего вытекает необходимость оснащения всех БПЛА стандартизированным программным диспетчерским модулем (ДМ) со стандартными средствами коммуникации. Автоматическое распределенное УБВД потребует наличия в составе ДМ компоненты идентификации и определения своего пространственного положения. Уже сегодня БПЛА массой > 500 г, как правило, оснащаются модулем ADS-B, но с учетом проблем для сигналов спутниковой навигации в условиях городской застройки наверняка будет иметь место комплексирование с позиционированием по станциям мобильной связи (уже изучается в «Юпитере») и, что важнее, с автономным оптическим позиционированием.

Основные результаты настоящей статьи:

• общие принципы организации децентрализованной УБВД, ориентированной на управление массовым движением АД;
• алгоритмическая основа функциональности ДМ – математический аппарат оптимального решения задачи безопасного пролета АД зон массовых конфликтов с аналогичными АД.

Обзор работ

К настоящему времени в мире разработан ряд моделей разрешения конфликтов БПЛА, которые возможно задействовать в ДМ. Общие сведения по российской нормативной базе для малых БПЛА общего пользования можно найти в [4]. Элементом функциональности ДМ в простейших случаях может быть аналитическое решение с применением метода множителей Лагранжа задачи об определении точки, принадлежащей первому отрезку и располагающейся на заданном расстоянии от второго отрезка, предложенное в [5].

Близкой к специфике конфликтных ситуаций с множеством участников (хотя и не подразумевающей децентрализации управления) является модель разрешения конфликтов на пересечениях траекторий БПЛА, описанная в [6]. Авторы предлагают концепцию пространственной матрицы – «дрон-клетки», содержащей горизонтальные и вертикальные коридоры, с логикой управления, основанной на введенном понятии вектора приближения (рис. 1). Компьютерное моделирование 954 конфликтов при участии 386 БПЛА в дрон-клетке размерностью 8 × 8 × 8 дало время определения действий по разрешению конфликтов 0,45 мс.

Стратегия, получившая название CONCORD, разрешает конфликты БПЛА, используя понятие коррелированного равновесия [7], которое включает возвращение БПЛА на их номинальную траекторию после уклонения. В [8] предложен алгоритм автоматизированного предотвращения конфликтов для небольших маловысотных БПЛА, обеспечивающий безопасность ВС в условиях неопределенности, основанный на марковском процессе принятия решений.

Разнообразные пространственные решетчатые структуры стали популярными среди исследователей подходами для разрешения конфликтов [9] и оптимизации траекторий БПЛА [10]. В [11] предложен итеративный геометрический подход для разрешения конфликтов путем разбиения многоконфликтной задачи на более простые подзадачи. Другой геометрический подход, основанный на пространственно-временных призмах, был предложен в работе [12]. В [13] обсуждается структура представления четырехмерных траекторий на основе пространственной сетки для обнаружения конфликтов.

Выраженным недостатком существующих моделей является матричный характер пространственных структур, используемых для разрешения массовых конфликтов АД, что означает движение АД по кусочно-линейным траекториям с ортогональными смежными участками, совпадающим с заранее заданными коридорами (как показано на рис. 1). Это приводит к увеличению времени прохождения зоны разрешения конфликтов (ЗРК) по сравнению с траекторией, состоящей из произвольно ориентированных в пространстве участков. В следующем разделе предлагается аппарат нахождения траекторий такого рода, преимущество которого аналогично преимуществу зональной навигации перед традиционной навигацией УВД.

Децентрализация не новинка в исследованиях по управлению воздушным движением. Эта концепция обсуждается, к примеру, в работах [14][15]. Но предлагаемые алгоритмы несут отпечаток наследия систем УВД для управления полетами больших авиалайнеров с разрешением конфликтов в горизонтальной плоскости: в статье авторов из NASA [14] определяются углы поворотов при маневрах участников конфликтов, в статье [15] разрешение конфликтов предполагается осуществлять манипулированием скоростями ВС с нахождением этих скоростей при помощи нейросети. Такие подходы представляются неоптимальными для разрешения массовых конфликтов АД, поскольку они не учитывают высокую маневренность малых БПЛА.

Крайняя форма децентрализации, при которой воздушное движение роя автономных БПЛА осуществляется без какого-либо внешнего управления, представлена подходом, описанным в [16]. Авторы использовали присущую биологическим системам идею самоорганизации, оснастив каждый дрон примитивным механизмом уклонения от столкновения с движущимся в непосредственной близости другим дроном. Поставленный эксперимент с сотней таких полностью автономных БПЛА в круговом пространстве диаметром 250 м, когда каждому БПЛА случайным образом назначалась конечная точка маршрута, показал практическую работоспособность метода. Его несомненными достоинствами являются дешевизна и масштабируемость, однако вызывают серьезные сомнения возможность разрешения массовых конфликтов и эффективность в смысле времени прохода ЗРК.

Метод

Описание задачи

Формулировка: найти безопасные траектории пролета нескольких АД через ЗРК c несколькими конфликтами – точками, в которых произойдет столкновение АД при полете по траекториям, заданным до подлета к ЗРК.

Критерий оптимальности решения: минимальное время, затраченное всеми АД на пролет ЗРК с сохранением конечных точек маршрутов АД.

Условия: соблюдение безопасного интервала сближения. Траектории полета произвольные. Имеется возможность зависания АД.

Подход к решению задачи

Организацию прохождения ЗРК предлагается свести к решению задачи линейного программирования с минимизацией целевой функции – сумме времен пролета ЗРК всеми участниками конфликтов. Искомыми значениями переменных являются координаты точек перелома кусочно-линейных траекторий АД. Ограничения – безопасные интервалы сближения, которые должны соблюдаться для всех точек всех траекторий участников конфликтов. Использование линейного программирования в задачах управления БПЛА в последнее время весьма популярно среди исследователей, см., например, [17–19].

Используемые обозначения

x, y, z – линейные координаты точек на траекториях АД;

n = 1…N, m = 1...N – номер АД;

R – расстояние между АД;

i = 1…I – номер линейного участка кусочно-линейной траектории АД;

k = 1...K – номер конфликта внутри ЗРК;

x_nk, y_nk, z_nk – линейные координаты АД с номерами n, участвующих в конфликтах k;

D – полная длина траектории АД от текущего положения до конечной точки маршрута;

D_ni – длина i-го линейного участка кусочно-линейной траектории n-го АД;

x_nik, y_nik, z_nik – линейные координаты точек перелома i траектории n-го АД, участвующего в конфликте k;

S – безопасный пространственный интервал между АД;

G – целевая функция задачи линейного программирования;

V – скорость полета АД;

T – время от момента обнаружения угрозы конфликта, в течение которого конфликт состоится.

Допущения и ограничения

Скорости движения всех АД не превышают величины V и отличаются незначительно.

АД имеют возможность зависания.

Размеры АД отличаются незначительно, что обеспечивает одинаковое значение безопасного интервала S для любых пар АД.

Определение конфликта

Конфликт – нарушение АД, движущимися со скоростью V, безопасных пространственных интервалов S в течение временных интервалов T. Величина Т зависит от числа конфликтов, для которых задача линейного программирования имеет решение. Произведение VT есть диаметр ЗРК в форме сферы (conflict sphere – CS).

Обнаружение и выделение ЗРК

ДМ всех АД постоянно принимают сигналы других АД, находящихся в пределах сферы CS. Сигналы АД содержат информацию об их векторах движения. ДМ определяют наличие угрозы конфликта внутри CS экстраполяцией векторов движения АД. При наличии угрозы первый АД, обнаруживший таковую, принимает на себя роль диспетчера и оповещает об этом все АД внутри и на границе CS. Это переводит все относящиеся к CS АД в режим зависания в текущем положении (с выдачей сигнала об участии в конфликте) и ожидания команд от диспетчера. Все АД обязаны выполнять команды диспетчера. ДМ диспетчера размечает вокруг каждой точки каждого конфликта внутри сферы CS вложенную сферу C_k диаметром S, очерчивающую конфликт k. При выявлении участия одного АД в нескольких конфликтах конфликты разрешаются в порядке их обнаружения, диспетчеры последующих конфликтов ожидают разрешения предыдущих, узнавая об этом по удалению сигнала об участии в предыдущем конфликте.

Пример ЗРК в форме сферы CS с тремя авиадронами АД₁, АД₂, АД₃ и двумя конфликтами C₁ и C₂ показан на рис. 2.

Расчет траекторий пролета ЗРК

ДМ известными методами решает задачу линейного программирования для замены прямолинейных траекторий от текущего положения до конечной точки маршрута несколькими прямолинейными участками, такими, что конец каждого предыдущего участка совпадает с началом последующего, и эта точка лежит внутри сферы C_k. Искомыми переменными являются x_nik, y_nik, z_nik – координаты точек перелома i траекторий АД с номерами n, участвующих в конфликтах k. При этом минимизируется целевая функция

(1)

где длины D_ni зависят от искомых координат точек начал и концов прямолинейных участков i для всех АД и всех конфликтов внутри CS;

при ограничениях

x_nik > x_k0 – S/2

x_nik < x_k0 + S/2

y_nik > y_k0 – S/2

y_nik < y_k0 + S/2

z_nik > z_k0 – S/2

z_nik < z_k0 + S/2,

(2)

где x_k0, y_k0, z_k0 – координаты центра сферы C_k ; и

(3)

для всех возможных пар AD, участвующих в конфликтах.

Рис. 3 демонстрирует возможный результат разрешения конфликтной ситуации, показанной на рис. 2.

Для больших N и K задача (1)–(3) может не всегда иметь решение. В таких случаях обнаруженные конфликты необходимо отранжировать по их расчетному времени и несколько раз последовательно решать задачу вида (1)–(3) для меньшего количества конфликтов, которые прогнозируются в числе первых. На время разрешения первых конфликтов участники остальных конфликтов получают команду от ДМ на зависание на границе сферы CS. Если АД-диспетчер сам является участником первых конфликтов, то по выходе из CS он передает роль диспетчера одному из оставшихся в CS АД из числа участников следующей по времени части конфликтов.

Описанный сценарий распределенного разрешения конфликтов автоматических АД в рамках будущей УБВД подразумевает, что функциональность ДМ должна включать ряд базовых функций:

• постоянный мониторинг окружающей воздушной обстановки на предмет прогнозирования угрозы возникновения конфликтов или обнаружения дрона-диспетчера;
• при прогнозе конфликтов – включение роли дрона-диспетчера с широковещательным оповещением о данном событии и командой на зависание при подлете к границе ЗРК;
• вычленение пространства под виртуальную структуру ЗРК для разрешения конфликтов с навигационной разметкой внутри этой структуры;
• расчет и передача данных о безопасном прохождении ЗРК участникам конфликта;
• передача роли дрона-диспетчера другому БПЛА после собственного выхода из ЗРК;
• удаление виртуальной структуры ЗРК после исчезновения угроз конфликтов.

Заключение

Предложенные общие принципы организации децентрализованной системы УБВД и математический аппарат оптимального решения задачи безопасного пролета АД зон массовых конфликтов описаны эскизно, рабочая версия потребует учета большого количества деталей (вариативность БПЛА, задержки связи, ошибки позиционирования, время решения и многое другое), а также имитационного моделирования для сравнительной оценки эффективности и оптимизации предлагаемого подхода. Данный материал призван послужить толчком для плодотворной дискуссии среди заинтересованных исследователей.

Такая дискуссия представляется крайне актуальной, так как прогнозируемое огромное количество АД-доставщиков покупок сделает управление именно этим типом воздушного движения основной задачей УВД в целом. Поэтому отработка механизмов автоматического децентрализованного УБВД для малых АД очевидно приведет к замещению этими механизмами сегодняшних средств и систем управления воздушным движением сначала для использующих дронопорты и аэродромы больших БПЛА, а затем – с необходимыми коррективами – и для всех ВС. Основания для такой перспективы – дешевизна эксплуатации автоматических решений и снижение роли человеческого фактора, являющегося основной причиной авиационных происшествий (достаточно вспомнить ошибки авиадиспетчера, приведшие к катастрофе над центром столицы СШA и гибели 67 человек в январе 2025 года).

Беспилотное будущее авиации вообще означает бездиспетчерность УБВД в частности. Огромная масса конфликтов БПЛА в воздухе потребует автоматического разрешения, роль авиадиспетчеров сведется к ручному управлению во внештатных ситуациях (отказы техники), что, кроме прочего, видимо, проявится в радикальном снижении потребности в авиадиспетчерах.