توسعه‌ی هواپيماهاي بدون سرنشين و چالشهاي پيش رو

امير توكلي کاشی

1- اشاره

دنياي هوانوردي در سالهاي اخير شاهد رشد و گسترش روزافزون پرنده‌هاي بدون سرنشين بوده است و بر طبق آمار، بودجة اختصاص‌يافته در وزارت دفاع ايالات متحده براي اين پرنده‌ها در سال 2003 نسبت به سال 2001 حدود %200 افزايش يافته است. (شكل 1) با گسترش استفاده از اين پرنده‌ها به تدريج سرنشينان هواپيماهاي نظامي و يا غيرنظامي 1 يا 2 نفره از اوج آسمانها به زمين مي‌آيند و پرنده‌هاي نسل جديد، بدون خلبان مستقيم، در آسمانها مأموريتهاي مورد نظر مهندسان هوافضا و برنامه‌ريزان صنعتي را به انجام مي‌رسانند. به دليل كاربردهاي گستردة هواپيماهاي بدون سرنشين در امور نظامي و غيرنظامي، امروزه بسياري از كشورها در حال بهره‌گيري و يا توسعة اين پرنده‌ها مي‌باشند. در شكل 2 كشورهايي كه داراي تكنولوژي توليد و بهره‌برداري از پرنده‌هاي بدون سرنشين مي‌باشند، نشان داده شده است (41 كشور) و همانطور كه از اين شكل برمي‌آيد استفاده اين پرنده‌ها تنها محدود به كشورهاي صنعتي توسعه‌يافته نمي‌باشد. بلكه بسياري كشورهاي در حال توسعه نيز در زمرة توليدكنندگان اين پرنده‌ها مي‌باشند.

شكل 1- روند رشد بودجه‌ اختصاص‌يافته براي توسعه‌ی هواپيماهاي بدون سرنشين در ايالات متحده آمريكا (مرجع 2)

توسعة هواپيماهاي بدون سرنشين، نيازمند ايجاد زيرساختهاي تكنولوژيكي خاص اين پرنده‌ها مي‌باشد. اما از آنجا كه عمده‌ترين تفاوت يك هواپيماي بدون سرنشين با هواپيماي سرنشين‌دار، استفاده از خلبان خودكار به جاي انسان مي‌باشد، عمده‌ترين گلوگاه تكنولوژيكي در توسعة اين پرنده‌ها، توسعة سيستمهاي خلبان خودكار و تجهيزات جانبي لازم نظير سنسورها، پردازشگرها و ... مي‌باشد.

شكل 2- پراكندگي كشورهاي توليدكنندة هواپيماهاي بدون سرنشين

بنابراين مبحث هدايت و كنترل پرنده‌هاي بدون سرنشين يكي از مباحث مهم و در خور توجه اين پرنده‌هاست. در حال حاضر تعداد محدودي از پرنده‌هاي بدون سرنشين، مأموريتهاي خود را توسط خلبان خودكار و به صورت از پيش برنامه‌ريزي‌شده (Preprogrammed Flight) انجام مي‌دهند و تعدادي ديگر نيز توسط خلبان زميني كنترل مي‌شوند. در واقع خلبان زميني از طريق اطلاعات ناوبري كه از پرنده دريافت مي‌كند، دستورات كنترلي لازم براي انجام مأموريت مورد نظر را صادر مي‌كند (شكل 3). البته بايد توجه داشت كه همانقدر كه مأموريتهاي اين پرنده‌ها هر روز پيچيده‌تر مي‌شود، وظايف خلبان زميني نيز پيچيده‌تر مي‌گردد كه در اين مقاله به بررسي اين مسأله مي‌پردازيم.

انواع ديگري از سيستمهاي هدايت و كنترل نيز در اين پرنده‌ها به كار گرفته مي‌شود كه در مقالات بعدي به بررسي آنها خواهيم پرداخت.

شكل 3- پايگاه زميني هدايت و كنترل هواپيماي بدون سرنشين پريديتور

2- مقدمه

كاربردهاي پرنده‌هاي بدون سرنشين از عكسبرداري و فيلمبرداري از مزارع و درياها و گشت‌زني و مراقبت هوايي تا انجام عمليات نظامي و حمله تغيير مي‌كند. به دليل كاربردهاي گستردة اين پرنده‌ها و مزاياي قابل توجه آنها نسبت به هواپيماهاي سرنشين‌دار ]3[ و همچنين نقش برجستة آنها در جنگهاي اخير (جنگ افغانستان و عراق) سرمايه‌گذاري روي اين پرنده‌ها در چند سال اخير به صورت تصاعدي افزايش يافته است و پيش‌بيني مي‌شود تعداد پرنده‌هاي بدون سرنشين ايالات متحده از 200 فروند در سال 2002 به500 فروند در سال 2007 برسد.

يكي از شاخص‌ترين پرنده‌هاي بدون سرنشين ايالات متحده كه در سالهاي اخير و در جنگها به كار گرفته شد، هواپيماي بدون سرنشين پريديتور مي‌باشد. پريديتور داراي ارتفاع پروازي زياد و مداومت پروازي طولاني است و در جريان جنگ افغانستان از طرف سازمان اطلاعات ايالات متحده به طور گسترده‌اي به كار گرفته شد. اين پرنده‌ها تصاوير و فيلمهايي را از مناطق جنگي تهيه مي‌كردند و آنها را به طور مستقيم به مقر فرماندهي مستقر در ناوهاي نظامي ارسال مي‌كردند. به كمك اين تصاوير و فيلمها درصد پيروزيهاي عملياتهاي نظامي در خلال اين جنگ به ميزان مؤثري افزايش يافت. البته پريديتور اولين پرندة بدون سرنشيني نبود كه براي عملياتهاي نظامي به كار گرفته شد. (در واقع پرتابة جنگي RYAN اولين پرندة بدون سرنشين با كاربرد نظامي بود كه در جنگ ويتنام براي بمباران مناطق مختلف مورد استفاده قرار گرفت.)

هواپيماي بدون سرنشين پريديتور از جمله پرنده‌هايي است كه كنترل آن از پايگاه زميني و توسط خلبان صورت مي‌گيرد و به دليل مأموريتهاي حساس و دشواري كه اين پرنده انجام مي‌دهد، طراحي و ساخت پايگاه كنترل زميني (Ground Control Station (GCS)) و نحوة انتقال اطلاعات پروازي هواپيما به خلبان زميني از ظرافت خاصي برخوردار است. چرا كه تمام اطلاعات لازم مي‌بايد از طريق چند مانيتور به خلبان منتقل شود تا او بتواند بر اساس اين اطلاعات، فرامين كنترلي لازم را صادر كند. اين مبحث، تحت عنوان "تعامل انسان و ماشين" در اين مقاله بررسي مي‌گردد.

3- تعامل انسان و ماشين

منظور از تعامل انسان و ماشين، رابطة ميان خلبان زميني با مانيتورها و دستگاههاي مستقر در پايگاه زميني است. تصور كنيد كه يك هواپيماي بدون سرنشين، صدها كيلومتر دورتر از محل استقرار خلبان در ارتفاع چند هزار پايي در حال پرواز است و خلبان زميني بدون اينكه هيچ احساس فيزيكي از موقعيت و وضعيت هواپيما داشته باشد، تنها به كمك اطلاعاتي كه از مانيتورها و نشان‌دهنده‌هاي روبروي خويش دريافت مي‌كند، آن را كنترل مي‌كند. اما بايد توجه داشت كه انتقال اين اطلاعات از هواپيما به پايگاه زميني و فراهم كردن شرايط مناسب در محل استقرار خلبان، به گونه‌اي كه خلبان بتواند فرامين كنترلي مناسبي را صادر كند و در هدايت هواپيما براي انجام مأموريت مورد نظر موفق باشد، با چند مسأله و چالش مهم روبرو است:

· اول اينكه انتقال اطلاعات پروازي از هواپيما به پايگاه زميني هزينه‌بردار است، چرا كه داشتن هر بخش از اطلاعات هواپيما در پايگاه زميني، به معناي وجود حداقل يك سنسور در هواپيما و يك كانال مخابراتي براي انتقال اطلاعات سنسور به پايگاه زميني است كه اين مسأله خود به معناي افزايش وزن سيستمها در هواپيما و به تبع آن افزايش وزن سازه و سوخت مي‌باشد.

· ثانياً اگر هم بتوان اطلاعات پروازي زيادي از پرنده در اختيار پايگاه زميني قرار داد، نمايش اين اطلاعات براي خلبان به گونه‌اي كه به راحتي بتواند در كمترين زمان، موقعيت و وضعيت پرنده را از اين اطلاعات دريابد، مشكل ديگري است كه پرنده‌هاي بدون سرنشين با آن مواجهند. (البته اين مشكل با استفاده از خلبانان مجرب تا حدي قابل رفع است. هم اكنون نيروي هوايي ارتش ايالات متحده براي كنترل هواپيماهاي بدون سرنشين خود از خلباناني كه تجربة زيادي در هدايت هواپيماهاي جنگنده و يا مسافربري دارند استفاده مي‌كند تا ريسك پرواز هواپيماهاي بدون سرنشين خود را تا جاي ممكن كاهش دهد.)

نحوة نمايش اطلاعات در پايگاه زميني هواپيماهاي بدون سرنشين، در هواپيماهاي مختلف بسيار متنوع است و از نمايش اطلاعات خام پروازي تا نمايش سه‌بعدي پرنده تغيير مي‌كند كه البته اين مسأله به ميزان زيادي به مأموريت پرنده بستگي دارد.

نمايش مناسب اطلاعات پروازي و موقعيت و وضعيت هواپيما و همچنين بهينه‌سازي سيستمهاي نمايش، مسأله‌ايست كه آزمايشگاه SIRUS(Synthetic Interface Research for UAV Systems) وابسته به مراكز تحقيقاتي نيروي هوايي ايالات متحده براي تحقيق دربارة آن ايجاد شده است. در حال حاضر اين مركز در حال گسترش تكنولوژي نمايش اطلاعات از طريق چند نمايشگر مجزاست و البته در كنار اين كار، بهينه‌سازي و اصلاح روشهاي مرسوم نمايش اطلاعات نيز در اين مركز صورت مي گيرد.

از ديگر فعاليتهاي اين مركز، تحقيق دربارة خودكار كردن تمام يا قسمتي از عمليات هواپيماهاي بدون سرنشين مي‌باشد و سعي بر اين است كه كنترل قسمتهايي نظير "رادر"، "ايلرون" و "الويتور" به خلبان خودكار (پردازشگر سخت افزاري ) مستقر در هواپيما سپرده شود و كنترل "دستة گاز" و همچنين "سيستم شليك سلاح" (در هواپيماهاي بدون سرنشين حمله) توسط خلبان زميني صورت گيرد. البته برخي از هواپيماهاي بدون سرنشين نظير گلوبال هاوك، به صورت از پيش برنامه‌ريزي‌شده و بر طبق مسير پروازي و يا نقشه‌هايي كه پيش از پرواز به كامپيوتر كنترلي آنها داده مي‌شود مأموريت خود را انجام مي‌دهند و حتي در فازهاي برخاست و نشست نيز به خلبان زميني نياز ندارد. البته در مورد هواپيماي بدون سرنشين گلوبال هاوك، مركز كنترل زميني مي‌تواند در حين پرواز هواپيما، مأموريت جديدي براي آن تعريف كند و اين مأموريت را از طريق كانالهاي ارتباطي به هواپيما منتقل كند (Uplink) ؛(كلية اطلاعات و يا فراميني كه از بيرون (پايگاه زميني و يا ماهواره‌هاي ارتباطي) به هواپيما ارسال مي‌شود، تحت عنوان Uplink و اطلاعاتي كه از هواپيما به بيرون فرستاده مي‌شوند تحت عنوان Downlink شناخته مي‌شوند.). همچنين در حين انجام مأموريت، مركز كنترل زميني، تمام اطلاعات پروازي پرنده و همچنين نماي سه بعدي آن را مشاهده مي‌كند. (شكل 4)

شكل 4- نمايش‌دهنده‌هاي مركز كنترل زميني هواپيماي بدون سرنشين گلوبال هاوك  

4- عمليات تيمي هواپيماهاي بدون سرنشين

يكي از ويژگيهاي بارز هواپيماهاي جنگندة سرنشين‌دار متعارف، توانايي انجام عمليات تيمي است. انجام عملياتهاي نظامي به صورت تيمي باعث بالا رفتن توان رزمي ناوگان هوايي و همچنين پايين آمدن ريسك و خطر از دست رفتن هواپيماها مي‌شود. همچنين با استفاده از هواپيماهاي مختلف در يك تيم مي‌توان قابليتهاي مجموعه را در دفاع و در حمله افزايش داد.

انجام عمليات تيمي در هواپيماهاي بدون سرنشين نيز از مزاياي فوق برخوردار است. اما انجام اين كار، به دليل نبود خلبان مستقيم در پرنده‌ها با مشكلات و چالشهايي نظير امكان برخورد هواپيماها به يكديگر، امكان تداخل امواج و كانالهاي ارتباطي پرنده‌ها با يكديگر و نيز پيچيده‌تر شدن كنترل زميني از نظر برقراري ارتباط خلبانان با يكديگر روبرو است.

در حال حاضر، در نيروي هوايي ايالات متحده، تيمي از پريديتورهاي شناسايي مجهز به سيستم شناسايي ليزري و پريديتور نوع B كه براي حمله استفاده مي‌شود، ايجاد شده است. در اين تيم، پريتور شناسايي، اهداف را به وسيلة سيستم شناسايي ليزري، پيدا مي‌كند و اطلاعات آن را به پريديتور نوع B مي‌دهد. سپس هواپيماي دوم با استفاده از اين اطلاعات به سمت هدف تا ارتفاع 15000پايي پايين مي‌آيد و با 8 موشك هدايت‌شوندة ليزري HELL FIRE و يا بمبهاي 2500 پوندي خود، به سمت هدف حمله مي‌كند. البته در بعضي مواقع، عمليات تيمي توسط تعدادي هواپيماي بدون سرنشين و تعدادي هواپيماي سرنشين‌دار صورت مي‌گيرد. خلبان كنترل‌كنندة هواپيماي بدون سرنشين نيز مي‌تواند در پايگاه زميني و يا در هواپيماي سرنشين‌دار مستقر باشد كه مورد اخير در جريان جنگ كوزووو مورد آزمايش قرار گرفت.

5- فعاليتهاي مركز SIRUS (مركز تحقيقات تعامل مصنوعي براي پرنده‌هاي بدون سرنشين)

فعاليتهاي اين مركز روي موضوعاتي در ارتباط با سيستم انتقال اطلاعات به خلبان زميني متمركز شده است. مرحلة اول فعاليت اين مركز، اصلاح و بهينه‌سازي سيستمهاي خلبان از راه دور هواپيماهاي بدون سرنشين مي‌باشد. در اين رابطه، پاية فعاليتها، كنترل و هدايت كامل پرنده توسط خلبان مستقر در پايگاه زميني است.

مرحلة دوم فعاليت اين مركز كنترل و هدايت چند پرندة بدون سرنشين رزمي توسط يك اپراتور (خلبان زميني) و بهينه‌سازي سيستم انتقال اطلاعات به پايگاه زميني و انتقال فرامين كنترلي خلبان زميني به هواپيما مي‌باشد. البته در اين حالت، تنها بخشي از كنترل پرنده‌ها بر عهدة خلبان زميني است. چرا كه پرنده‌هاي مورد استفاده در اين حالت، نيمه‌خودكار بوده و تا حدي استقلال در انجام عمليات و مأموريت از پيش تعيين شده را دارند.

در مرحلة بعد، كنترل و هدايت پرنده به صورت كاملاً خودكار صورت مي‌گيرد و خلبان زميني در مواقع اضطراري و در شرايط خاص وارد عمل مي‌شود. مسأله‌اي كه در اين مرحله مي‌بايد بررسي شود، اين است كه خلبان زميني چه وقت بايد وارد چرخة كنترل پرنده شود و به چه نحوي بايد او را نسبت به اين مسأله مطلع كرد. به عبارت ديگر، به دليل اينكه، در يك عمليات شناسايي كه ممكن است حدود 24 ساعت نيز به طول انجامد، عوامل فيزيولوژي انساني نيز بايد در نظر گرفته شود و براي مشكلاتي نظير يكنواختي كار و فرسودگي رواني خلبان زميني، مي‌بايد چاره‌اي انديشيده شود. همچنين سيستم خلبان زميني خودكار پرنده بايد اين توانايي را داشته باشد كه در مواقع اضطراري پيامهايي را براي خلبان زميني صادر كند و هدايت و كنترل پرنده را به او بسپارد.

در مرحلة اول كار، بيشترين تمركز روي خلبان و سيستمهاي انتقال اطلاعات مي‌باشد و در مراحل دوم و سوم نيز مي‌بايد تحقيقات وسيعي روي سنسورها و سيستمهاي كنترل خودكار صورت گيرد. البته به دليل اينكه پرواز هواپيماهاي بدون سرنشين تضمين‌شده نيست و خطر جاني هم براي خلبان در بر ندارد، اين مراحل نيز با محدوديت و سخت‌گيري كمتري مواجهند.

از ديگر فعاليتهاي مركز SIRUS، گسترش تكنولوژي بينايي مصنوعي با واقع‌گرايي بالا، افزايش و ارتقاء سيستمهاي اخطار به خلبان، سيستم سه‌بعدي‌سازي تصوير و نمايش تصوير از طريق كلاه مخصوص خلبان مي‌باشد. انگيزة اصلي براي انجام اين تحقيقات، بالا بردن نقش نيروي انساني در هدايت و كنترل پرنده، نظارت خلبان بر روند اجراي مأموريت و ساخت هواپيماي خودكار با قابليت پيش‌برنامه‌ريزي است. (نكتة قابل توجه اينكه علي‌رغم مزاياي سيستمهاي خودكار، ضريب اطمينان كار نيروي انساني و دقت آن در مقايسه با سيستمهاي خلبان خودكار فعلي همچنان بالاتر است. لذا در كنار تحقيقاتي كه در زمينة توسعة سيستمهاي خلبان خودكار صورت مي‌گيرد، توسعه و ارتقاء سيستمهاي خلبان از دور نيز همچنان مورد توجه مي‌باشد.)

6- جمع‌بندي

در اين مقاله، در ابتدا اشارة مختصري به سيستمهاي كنترل و هدايت از دور هواپيماهاي بدون سرنشين گرديد و مشكلات و مسائلي كه در زمينة كنترل يك پرندة بدون سرنشين و يا يك تيم از اين پرنده‌ها وجود دارند اجمالاً معرفي شد. در ادامه نيز تحقيقاتي كه در زمينة سيستمهاي هدايت و كنترل خودكار هواپيماهاي بدون سرنشين و همچنين هواپيماهاي خلبان از دور، در مركز SIRUS (وابسته به مراكز تحقيقاتي نيروي هوايي ايالات متحده) صورت مي‌گيرد، معرفي گرديد.

  7- مراجع

 1. UAV’s And the Human Factor, By J.R. Wilson. Aerospace America July 2002

2. Unmanned Aerial Vehicles Roadmap 2002-2027, Department of Defense, Office of the Secretary Defense, USA, December 2002

3. "اشاره‌اي به هواپيماهاي بدون سرنشين"، گروه UAV پيك هوافضا، پيك هوافضا، بهار و تابستان 1382