MACHINES AND MECHANISMS

Navigation and positioning of UAVs in emergency situations during the construction of the subway and transport tunnels

Authors

How to cite

GOST Malkin V. Y., Pobeda T. V., Sirovoy G. V. Navigation and positioning of UAVs in emergency situations during the construction of the subway and transport tunnels // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2026. Vol. 70. No. 1. P. 78-86.
APA Malkin, V. Y., Pobeda, T. V. & Sirovoy, G. V. (2026). Navigation and positioning of UAVs in emergency situations during the construction of the subway and transport tunnels. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 70(1), 78-86.

Abstract

The article is devoted to ensuring reliable navigation and positioning of unmanned aerial vehicles in emergency scenarios typical for the construction of subways and transport tunnels, when satellite navigation is unavailable due to shielding, interference or suppression, and smoke and low illumination impair the operation of optical means. The limitations of existing approaches focused on partially controlled conditions are considered, and a multisensory architecture is proposed that combines an inertial navigation system for short-term autonomy, visual odometry to compensate for drift while maintaining visibility, UWB/Wi-Fi radio frequency beacons for global tethering in infrastructurally equipped areas, and lidar SLAM for operation in complete darkness. The key computational mechanism is adaptive correction based on the Kalman filter with a dynamic redistribution of sensor confidence through weights calculated as an exponential function of error variance estimates; it is shown that the sensitivity parameter γ sets a compromise between inertia and the sharp dominance of the «best» channel, and a temporarily variable setting γ is proposed for an accelerated response to sudden environmental changes (t), depending on the rate of dispersion growth. Numerical aspects of the implementation (exponential normalization, covariance symmetrization, Cholesky and SVD decompositions, iterative methods), as well as the extension of the model to the case of correlated noise through the introduction of a cross-сovariance matrix and asynchronous buffering measurements are discussed. Experimental testing in smoke simulation (density up to 0.7-0.8 units), in an underground tunnel with the placement of UWB beacons after 10 m and in an urban environment with GPS suppression demonstrates a decrease in error to 0.3-0.4 m in extreme conditions and an advantage of 3-10 times relative to monosensory solutions; additionally, a decrease in error growth with increasing length is shown a tunnel (up to 14 cm per 1000 m) compared to one INC. The limitations related to the computational load and requirements for on-board computers, as well as directions for further miniaturization and optimization, are indicated.

Keywords

UAVs navigation positioning GPS failure smoke transport tunnels SLAM inertial system multisensory integration emergencies

References

Власов А.И., Гараев А.В., Захарова В.О., Селиванов К.В., Чернышов Д.Д. Методика профилизации беспилотных летательных аппаратов на основе аддитивных технологий // Надежность и качество сложных систем. 2023. № 4. С. 95-110.

Жарков Д.А. Жостков Р.А., Гравиров В.В. Простейшая математическая модель генерации магнитного поля пропеллерами малоразмерных мульти-коптеров // Наука и технологические разработки. 2023. Т. 102. № 1. С.19-39.

Злобин С.Е. Развитие систем визуальной навигации для беспилотных летательных аппаратов в условиях отсутствия GPS-сигнала // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2025. № 4(44). С.26-32.

Казаков Б.П., Колесов Е.В., Накаряков Е.В., Исаевич А.Г. Обзор моделей и методов расчета аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях шахт и рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 6. С. 5-33.

Каледина Н.О., Кобылкин С.С., Кобылкин А.С., Кондрев Р.С., Белецкий Д.Н. Оценка эффективности естественного проветривания метромоста в случае возгорания кабеля с учетом защитных конструкций от климатических осадков // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 10-1. С. 17-28.

Катаев М.Ю., Карташов Е.Ю., Гейко П.П. Обнаружение лесных пожаров по изображениям, полученным с БПЛА // Управление, вычислительная техника и информатика. Доклады ТУСУР. 2023. Т. 26. № 3. С. 72-79

Коптев С.В., Скуднева О.В. О возможностях применения беспилотных летательных аппаратов в лесохозяйственной практике // (Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2018. № 1. С. 130-138.

Линец Г.И., Мельников С.В. Алгоритм определения начальных координат роботизированного беспилотного летательного аппарата в условиях искажения навигационного поля // Современная наука и инновации. 2020. № 2(30). C. 8-20

Овсянкин А.В. Средства навигационного обеспечения гражданской беспилотной авиации в условиях высоких широт // Системный анализ и логистика. 2024. № 2(40). С. 105-113.

Савельев В.М., Антонов Д.А. Выставка бесплатформенной инерциальной навигационной системы беспилотного летательного аппарата на подвижном основании // Электронный журнал Труды МАИ . 2011. № 45. С. 1-19

Чжао С. Повышение точности оценивания погрешностей систем навигации с помощью фильтра Калмана в навигационных системах гибридной природы// Политехнический молодежный журнал. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2019. № 6. С.1-11.

Шейников А.А., Малкин В.А., Смоленский Э.А., Иваницкий Л.А. Математическая модель ошибок высотомера беспилотного летательного аппарата на базе стереосистемы технического зрения // Системный анализ и прикладная информатика. 2024. № 2. С. 30-40.

Шейников А.А., Малкин В.А., Санько А.А., Иваницкий Л.А. Математическая модель ошибок высотомера беспилотного летательного аппарата на базе стереосистемы технического зрения // Авиационный вестник. 2022. № 7. С. 68-75.

Issue

Section

MACHINES AND MECHANISMS

Metrics

86 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.