Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

«САСОВСКОЕ ИМЕНИ ГЕРОЯ СОВЕТСКОГО СОЮЗА ТАРАНА Г.А. ЛЕТНОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)»

Дипломная работа

Цикловая комиссия «Безопасность полетов и специальные дисциплины»

Специальность: 161005-Летная эксплуатация летательных аппаратов

НА ТЕМУ: ОСНОВЫ ЗОНАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ В ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОМ КОМПЛЕКСЕ GARMIN 1000



ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring) - бортовая автономная система контроля целостности;

ADS (Automatic Dependent Surveillance)- автоматическое зависимое наблюдение;

ATM (Air traffic Management) - организация воздушного движения;

C/A code (Clear/acquisition code) - код свободного использования;

CNS (Communication, Navigation and Surveillance) - связь, навигация и наблюдение;

DOP (Dilution of Precision) - снижение точности;

FANS (Future Air Navigation System) - будущие навигационные системы, одноимённое название специального комитета по будущим навигационным системам;

FMS (Flight Management System) - система управления полётом;

GDOP (Geometric Dilution of Precision) - геометрическое снижение точности;

GNSS (Global Navigation Satellite System) - глобальная навигационная спутниковая система;

GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) - глобальная орбитальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС);

GPS (Global positioning System) - глобальная система определения местоположения;

JAA (Joint Aviation Authorities) - объединённые авиационные власти (государств ЕС);

NDB (non directional beacon) - приводной радиомаяк;

P-CODE (Protection code) - защищенный код;

PDOP (Position Dilution of Precision) - снижение точности определения местоположения;

PE-90 (Parameters Earth - 1990) - параметры Земли, 1990 год;

RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring) - автономный контроль целостности приёмника;

RNP (Required Navigation Performance) - требуемые навигационные характеристики;

S/A (Selective Availability) - селективный доступ;

TSO-C129 (Technical Standard Order - Circular 129) - Стандартизированные требования - Циркуляр 129;

VOR (VHF Omni-directional Radio Range) - всенаправленный радиомаяк;

WGS-84 (World Geodetic System - 1984) - глобальная геодезическая система 1984 года.

ВС - воздушное судно;

ИКАО - международная организация гражданской авиации;

ИСЗ - искусственный спутник Земли;

СНС - спутниковая навигационная система;

ПИ СНС - приёмоиндикатор спутниковых навигационных систем.



ВВЕДЕНИЕ

Существующая система навигации ориентирована на наземные навигационные средства наведения, например радиомаяки VOR, NDB или приводные радиостанции, расположенные в пунктах маршрута. Эта система не обладает достаточной гибкостью, в результате чего воздушное пространство часто используется неэффективно, поскольку его эксплуатация полностью зависит от размещения наземных средств навигации.

В начале 80-х годов международная организация гражданской авиации (ИКАО) признала неспособность действующих аэронавигационных систем удовлетворить будущие потребности гражданской авиации. В связи с этим был учрежден специальный комитет по будущим аэронавигационным системам (FANS) для разработки совершенно новой аэронавигационной системы завтрашнего дня, ориентированной на применение спутниковых технологий и компьютеров. Ввиду неоспоримых технических и экономических преимуществ ИКАО приняло решение о создании всемирной спутниковой системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения (CNS/ATM).

Ядром системы CNS/ATM является глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), которая функционирует на основе использования созвездия спутников GPS и ГЛОНАСС. Система GNSS постепенно заменит все навигационные системы, используемые в настоящее время, и станет единственным средством, обеспечивающим навигацию на всех этапах полета, включая обеспечение точного захода на посадку. Переход к системе CNS/ATM станет самой крупной программой, которую когда-либо приходилось решать мировому сообществу.

Процесс навигации на воздушном судне начинается с момента взлета и заканчивается после приземления и в этой связи в концепции CNS/ATM навигации принадлежит особое место. Полет можно выполнить без связи, без наблюдения со стороны органа обслуживания воздушного движения, однако без осуществления навигации не выполняется ни один полет.

Целью дипломной работы является раскрытие понятия зональная навигация, определение возможности использования комплекса Garmin 1000 для полётов с использованием зональной навигации.

В данной дипломной работе рассматриваются преимущества использования данного вида навигации, необходимые требования к бортовому и наземному оборудованию, воздушным судам, экипажам для осуществления зональной навигации, описывается пилотажный комплекс Garmin 1000, особенности обозначений в базах данных.



1. Зональная навигация

зональный бортовой целостность приемник

1.1 Основы зональной навигации

В зарубежной практике на протяжении многих десятилетий маршруты полетов ВС строились таким образом, чтобы они проходили через наземные радиомаяки - как правило, радиомаяки VOR. Поскольку полет выполнялся «на» или «от» радиомаяка, бортовое оборудование (аналог отечественного КУРС МП) непосредственно определяло и индицировало на указателях типа ПНП (CDI или HIS) сторону и величину углового уклонения ВС. Это позволяло пилоту легко сохранять линию заданного пути, удерживая планку в центре прибора.

Наличие у летного экипажа в любой момент времени информации об отклонении от заданной траектории получило название навигационного наведения (guidance). Наведение практически на каждом участке маршрута и схемы маневрирования в районе аэродрома давно стало необходимым и само собой разумеющимся условием осуществления аэронавигации в большинстве стран мира.

Возрастание интенсивности воздушного движения к середине 80-х годов привело к тому, что обычных трасс, проходящих через радиомаяки, во многих регионах уже было недостаточно для обеспечения требуемой пропускной способности воздушного пространства. Стала обсуждаться возможность полетов по произвольным траекториям, не обязательно проходящим через радиомаяки. Для обеспечения таких полетов на борту ВС необходимо:

1) получать информацию о текущем местоположении ВС;

2) представлять информацию для пилота в виде отклонения от заданной траектории (обеспечить наведение).

Решение первой из этих задач первоначально основывалось на использовании угломерно-дальномерной системы, образованной радиомаяками VOR/DME, и позволяющей непрерывно измерять пеленг и дальность ВС (рисунок 1). Для решения второй задачи необходимо было иметь бортовой вычислитель, способный непрерывно рассчитывать по пеленгу и дальности линейное боковое уклонение и оставшееся расстояние, то есть преобразовывать полярные координаты в частноортодромические. Именно в этот период времени в бортовые навигационные системы стала интенсивно внедряться только что появившаяся компьютерная техника, что оказалось очень кстати для решения этой задачи.

Такая навигация по маршрутам, не проходящим через радиомаяки, получила название «зональной навигации» (area navigation, RNAV), поскольку ее осуществление было возможно только при нахождении ВС в пределах зоны действия (range, area) радиомаяка. Впоследствии для определения местоположения ВС стали использоваться и другие средства: инерциальные системы счисления координат, разностно-дальномерные и спутниковые системы. Несмотря на то, что теперь уже не было необходимости находиться в определенной «зоне», сам термин «зональная навигация» сохранился [1].

Рисунок 1 - Маршрут угломерно-дальномерной зональной навигации

История развития зональной навигации отразилась в том, каким образом давалось определение этого понятия в документах ИКАО. Если первоначально подразумевались только полеты в пределах зоны действия радиомаяков, то с появлением возможности автономного счисления пути понятие RNAV было расширено, и его определение давалось уже следующим образом: «Зональная навигация - метод навигации, позволяющий воздушным судам выполнять полет по любой желаемой траектории в пределах действия радиомаячных навигационных средств или в пределах, определяемых возможностями автономных средств или их комбинацией» [2].

Однако это определение оказалось излишне подробным. И уже второе издание этого же документа приводит определение в ныне существующем виде: «зональная навигация -- метод навигации, который позволяет воздушному судну выполнять полет по любой желаемой траектории».

Можно обратить внимание, что в этом кратком определении отсутствует в явном виде один из ключевых элементов RNAV - необходимость наведения по этой желаемой траектории. Из-за этого у российского пилота, впервые встретившегося с данным понятием, может возникнуть недоумение: а разве я без всякой зональной навигации не могу летать, как желаю? Но для зарубежных летчиков никакой неясности нет. Для них необходимость наведения является нормой - что за навигация без наведения?

В определении ИКАО зональная навигация названа «методом» навигации. По-видимому, это не совсем корректно. Ведь для осуществления RNAV могут использоваться самые разные методы навигации, способы определения местоположения ВС. Они могут быть основаны на использовании радиотехнических систем, систем счисления пути или, в перспективе, на каких-то иных принципах. Для сущности зональной навигации это безразлично. Да и не может «навигация» быть «методом навигации», то есть способом осуществления самой себя. Зональная навигация не метод, а разновидность навигации, которая отличается от обычной лишь двумя чертами: возможностью задания произвольных траекторий и обеспечением наведения при полете по ним. Поэтому более точное определение RNAV могло бы выглядеть следующим образом: «зональная навигация - навигация с использованием технических средств, обеспечивающих наведение при полете по любой желаемой траектории».

Оборудование, обеспечивающее возможность такой навигации, стали называть «оборудованием зональной навигации» или «оборудованием RNAV». Оно должно автоматически определять местоположение ВС по одному или нескольким навигационным датчикам и вычислять расстояние вдоль линии пути, боковое отклонение, время полета до выбранного пункта, а также обеспечить непрерывную индикацию отклонения на приборе типа ПНП или КПП, то есть обеспечить собственно наведение. Сама же траектория задается, как правило, геодезическими координатами (широтой и долготой) нескольких ее точек, называемых точками пути (waypoints).

Для отечественной аэронавигации принципы зональной навигации не являются чем-то абсолютно новым. Ведь в нашей стране, в отличие от зарубежной практики, воздушные трассы часто проходят через такие поворотные пункты маршрута, в которых не установлены никакие навигационные средства. Наведение при этом обычно отсутствует, и поэтому выдерживание ЛЗП в этом случае является более сложной для летных экипажей задачей. Это одна из причин наличия на борту ВС штурмана как члена экипажа.

Но в некоторых случаях обеспечивалось и наведение по произвольным линиям пути. Элементы зональной навигации в СССР впервые были реализованы в начале 60-х годов с появлением радиотехнической системы ближней навигации (РСБН). Наличие на борту в составе этой системы блока управления счетнорешающего прибора (БУ СРП) позволяло выполнять полет по линии пути, не проходящей через радиомаяк. При этом вертикальная планка прибора КПП показывала пилоту, с какой стороны находится ЛЗП, то есть осуществлялось наведение. Правда, точность, обеспечиваемая аналоговым вычислителем СРП, была не очень высока, да и не все самолеты имели такое оборудование. К тому же отсутствовало сплошное перекрытие зон радиомаяков на территории страны, а полеты разрешалось выполнять только по установленным воздушным трассам. Поэтому в те годы такой подход к навигации не получил широкого распространения, но по существу это и была RNAV.

Траектория планируемого полета может быть задана не только в горизонтальной плоскости в виде маршрута, но и в вертикальной - путем задания высот пролета точек пути, углов или градиентов наклона траектории. Кроме того, может быть задана пространственно-временная траектория, когда для некоторых точек задано время их пролета. В соответствии с размерностью (Dimension) «пространства», в котором осуществляется наведение, зональную навигацию разделяют на три вида:

- 2D-RNAV - двухмерная RNAV в горизонтальной плоскости - LNAV (Lateral Navigation). Иногда, используя дословный перевод, ее называют боковой навигацией, поскольку наведение осуществляется только по боковому уклонению;

- 3D-RNAV - трехмерная RNAV в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для навигации в вертикальной плоскости используется аббревиатура VNAV (Vertical Navigation);

- 4D-RNAV - четырехмерная RNAV в горизонтальной и вертикальной плоскостях плюс решение задачи регулирования скорости полета для прохождения пунктов маршрута или прибытия на аэродром в заданное время. Зональная навигация по времени сокращенно обозначается TNAV (буква Т от слова Time).

Проблема внедрения зональной навигации состоит не просто в том, чтобы обеспечить полет по произвольной траектории, а в том, чтобы точность ее выдерживания соответствовала установленным в данном регионе требованиям. В современной аэронавигации эти требования устанавливаются в виде так называемых требуемых навигационных характеристик (RNP - Required Navigation Performance). Поэтому вопросы зональной навигации оказались тесно переплетены с проблемами RNP. Настолько тесно, что ныне эти два круга вопросов оказались объединенными в одном документе ИКАО. Ранее концепция RNAV и требования к ней содержались в документе ИКАО «Руководство по зональной навигации». В настоящее время он прекратил свое существование, но весь его материал вошел в «Руководство по требуемым навигационным характеристикам RNP Doc 9613, Монреаль, ИКАО, изд. 2. 1999». Теперь RNP рассматривается как инструмент технического и нормативного регулирования полетов с применением RNAV.

В зависимости от жесткости требований к точности выдерживания заданной траектории, а также от характера функциональных требований к бортовому оборудованию, широко используются следующие обозначения типов RNAV:

- B-RNAV (Basic RNAV) - основная (базовая) зональная навигация;

- P-RNAV (Precision RNAV) - точная зональная навигация;

- RNP-RNAV - зональная навигация с требуемыми навигационными характеристиками.

Базовая или основная (Basic) зональная навигация (B-RNAV) была введена по инициативе Евроконтроля в регионе Западной Европы 29 января 1998 г. Требования к точности навигации соответствуют RNP 5, то есть ВС должно в течение 95% времени полета находиться в пределах ± 5 м. миль от линии заданного пути.

Евроконтролем определены некоторые функциональные и эксплуатационные требования к оборудованию B-RNAV. Для достижения RNP5 возможно использование различных датчиков навигационной информации, а именно:

- двух маяков DME (режим DME/DME);

- одного маяка VOR/DME, расположенного не далее 62 м. миль от ВС;

- одной инерциальной системы с коррекцией по радионавигационной или спутниковым системам:

- одного приемника GPS. соответствующего необходимым требованиям [3].

Введение B-RNAV позволило обеспечить использование имеющегося навигационного оборудования без изменения существующей структуры маршрутов ОВД в регионе Западной Европы.

Опыт выполнения полетов в регионе действия B-RNAV показал, что процесс навигации существенно упростился, а точность повысилась.

К точной (Precision) зональной навигации (P-RNAV) относится зональная навигация, в которой действуют требования к точности, соответствующие типу RNP1, и некоторые функциональные требования к оборудованию RNAV, но при этом не требуется соблюдение всех остальных «классических» аспектов RNP согласно «Руководству по требуемым навигационным характеристикам RNP». Применение P-RNAV обусловлено возможностью повышения точности навигации, а, следовательно, и пропускной способности воздушного пространства в аэроузловых зонах (ТМА) с интенсивным воздушным движением.

Для достижения требуемой для P-RNAV точности возможно использование следующих типов датчиков навигационных сигналов:

- GPS без каких либо функциональных дополнений;

- двух DME или одного VOR/DME, расположенных в определенных местах ТМА.

Использование инерциальных систем возможно только в течение нескольких минут после взлета или очередной коррекции по VOR/DME, DME/DME или GPS. В основном ИНС выполняет роль инерциальной поддержки оборудования RNAV для повышения ее готовности и непрерывности обслуживания. Но эти важные характеристики классических RNP для Европейской P-RNAV не являются обязательными, и это является главным отличием P-RNAV от RNP1. Поэтому решающего значения для сертификации оборудования по P-RNAV его инерциальная составляющая не имеет.

При введении в ТМА процедур P-RNAV авиационные власти государств и соответствующие службы ОрВД (ASM) должны гарантировать, что:

1) все процедуры P-RNAV в этой ТМА:

- не противоречат техническим положениям ИКАО, представленным в «Производство полетов воздушных судов. Том 2. Правила производства полетов. Doc 8168, вкл. поправку 12. Монреаль, ИКАО. 1993»;

- разработаны в соответствии с обязательными требованиями Евроконтроля «Guidance Material for Design of Terminal Procedures for Area Navigation (DME/DME, B-GNSS, Baro-VNAV & RNP-RNAV);

- учитывают функциональные и технические характеристики систем P-RNAV, предписанные в документе «Guidance Material for Design of Terminal Procedures for Area Navigation (DME/DME, B-GNSS, Baro-VNAV & RNP-RNAV»;

- учитывают, что использование вертикальной навигации VNAV для
P-RNAV не является обязательным и что возможно использование обычных методов вертикального наведения;

- опубликованы так, что на схемах процедур P-RNAV указаны радиалы, пеленги и дальности от наземных маяков до точек пути, используемых в процедурах, чтобы летный экипаж мог дополнительно контролировать пролет этих точек по наземным РТС,

2) все точки пути траектории P-RNAV заданы в системе координат WGS-84;

3) полномочный орган ОрВД (ASM) подтвердил, что построение процедуры и навигационная инфраструктура (наземные РТС) обеспечивают ее адекватное выполнение на всех участках. При этом учитываются летно-технические характеристики категорий ВС, для которых эта процедура предназначена. Иногда такие процедуры облетываются на специальном самолете с участием уполномоченных лиц ОрВД;

4) если процедура позволяет выбирать источник навигационного сигнала (например, GNSS, DME/DME или VOR/DME), то применяются критерии учета препятствий для таких средств, которые обеспечивают наихудшую точность навигации;

5) включены в АИП и указаны на применяемых картах навигационные средства, обязательные для использования при выполнении данной процедуры, а также средства, которые не должны использоваться летным экипажем в системе RNAV (наиболее часто это касается маяков VOR/DME);

6) осуществляется мониторинг навигационных сигналов GNSS, DME, VOR, требуемых для выполнения данной процедуры. Если какая-либо система определена как обязательная для использования, а она не работает, то выпускается соответствующий NОТАМ;

7) для процедур, предполагающих использование в качестве датчика только систему GNSS, учитывается риск потери сигналов спутников или прерывания RAIM, а, следовательно, и потери статуса P-RNAV сразу у группы ВС. Как правило, такой риск компенсируется установкой одного маяка DME или VOR/DME для поддержки всех процедур P-RNAV в этой ТМА;

8) для избегания серьезной опасности в случае отказа оборудования
P-RNAV при полете по траекториям, которые пролегают ниже применяемой MSA, или когда не обеспечен радиолокационный контроль полета, в АИП внесено требование о необходимости иметь на борту двойной комплект оборудования P-RNAV. В некоторых случаях авиационным властям потребуется изменить воздушное законодательство для того, чтобы придать юридическую силу заключениям специалистов ОрВД о необходимости иметь два комплекта оборудования P-RNAV,

9) если радиолокатор определен как средство, применяемое диспетчером в нештатных ситуациях (например, при отказе бортового оборудования RNAV), его технические характеристики подтверждены полномочными органами, а требование о радиолокационном обслуживании предписано в АИП;

10) в АИП опубликована фразеология "пилот-диспетчер", применяемая при выполнении полетов P-RNAV;

11) навигационные средства, не соответствующие Приложению 10 ИКАО (например, TACAN), исключены из АИП.

ИКАО является не единственной международной организацией, занимающейся вопросами установления и выполнения требований к точности аэронавигации, внедрения в авиационную практику научных разработок и передового опыта обеспечения безопасности полетов. Занимаются этим EUROCONTROL, RTCA и ряд других организаций [1].

Важный вклад в развитие концепций RNAV и RNP вносит RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautical - Радиотехническая комиссия по аэронавтике). Это некоммерческая международная организация, членами которой являются авиакомпании, государственные ведомства разных стран, производители авионики и поставщики аэронавигационной информации. Образованные RTCA комиссии ведут работу по различным направлениям деятельности и выпускают документы, которые обобщают мировой опыт в области авиации, учитывают перспективы и тенденции ее развития. Рекомендации RTCA, хотя и именуются стандартами, формально не имеют статуса международного или национального стандарта. Но их часто берут за основу правительственные органы разных стран для создания своих национальных стандартов (например, TSO - Technical Standard Order, принятые в США).

В то время как членами ИКАО являются государства в лице их официальных представителей, в работе комиссий RTCA участвуют непосредственно участники практической авиационной деятельности (инженеры, летчики, ученые и т.д.) - все заинтересованные стороны. Вследствие этого документы RTCA более близки к потребностям сегодняшней практики, являются более оперативными, а иногда и более глубокими. Как правило, со временем основные положения документов RTCA проникают и в документы ИКАО.

Важной составляющей CNS/ATM, необходимой для эффективного функционирования авиационной транспортной системы, является обеспечение точной аэронавигации ВС. Требуемая точность полета обеспечивается с помощью навигационных систем, Но эти системы должны быть не только точными, но и надежными, обеспечивать необходимую непрерывность обслуживания, обладать целым рядом других качеств. В связи с этим одна из комиссий RTCA разработала минимальные стандарты, на характеристики авиационных систем (MASPS), необходимые для зональной навигации в условиях RNP.

Чтобы отличать расширенные требования RTCA от обычных требований RNP, приведенных в «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам RNP», для них введено обозначение RNP RNAV. Поэтому, если ВС удовлетворяет требованиям RNP RNAV, то оно удовлетворяет и требованиям RNP такого же типа. Обратное, конечно, вовсе не обязательно [4].

Новыми элементами в RNP RNAV являются введение концепции удерживания (Containment Concept), а также установление требований к точности зональной навигации по высоте (VNAV) и времени.

RNAV рассматривается ИКАО как основной вид навигации будущего, поскольку она обладает целым рядом неоспоримых преимуществ перед навигацией обычной, традиционной:

1) Полеты становятся более безопасными за счет повышения точности навигации. Это связано с тем, что при введении RNAV в каком-либо регионе одновременно вводятся и требования к точности (в виде RNP).

2) Увеличивается пропускная способность и эффективность использования воздушного пространства, как на маршрутах, так и в районах аэродромов. Это происходит с одной стороны за счет увеличения количества маршрутов в данном объеме воздушного пространства (теперь они не обязательно должны проходить через радиомаяки), а с другой - за счет уменьшения интервалов бокового эшелонирования, которое оказывается теперь возможным, поскольку точность навигации стала выше.

3) Появляется возможность сделать структуру маршрутов динамичной, легко меняющейся в зависимости от обстановки. При этом могут быть учтены интересы как гражданской, так и государственной авиации. Гибкость RNAV позволяет избежать скопления ВС в определенных участках воздушного пространства, серьезных уплотнений маршрутов и появления «воздушных пробок».

4) Маршруты можно устанавливать более короткими, что приводит к экономии авиатоплива и уменьшению летного времени.

5) При наличии наведения летный экипаж более наглядно представляет себе навигационную ситуацию, что позволяет избежать неправильных решений и ошибок.

6) Уменьшается нагрузка как пилота, так и диспетчера за счет возможности отказаться от радиолокационного наведения (векторения), осуществляемого диспетчером в районе аэродрома.

7) Оказывается возможным сократить количество наземных навигационных средств.

При применении методов RNAV должны быть выполнены следующие обязательные условия:

- если оборудование RNAV использует сигналы наземных или спутниковых средств, то оно должно устойчиво принимать эти сигналы на всем протяжении полета по маршруту или маневрирования в районе аэродрома;

- координаты точек пути (WPT - waypoints) должны определяться и публиковаться в АИП государств во Всемирной геодезической системе координат WGS-84 и с требуемой точностью, разрешением и целостностью;

- оборудование RNAV должно быть сертифицировано для выполнения полета по маршруту и в районе аэродрома;

- летный экипаж должен иметь допуск к выполнению полетов по маршрутам RNAV и в районе аэродрома [1].



1.2 Бортовое оборудование RNAV

Для реализации принципа зональной навигации на борту ВС должны решаться следующие задачи:

- определение текущего местоположения ВС;

- хранение информации о маршруте полета, по которому должно осуществляться наведение,

- определение отклонения от ЛЗП, оставшегося расстояния и других, необходимых для навигации параметров;

- индикация отклонения на приборной панели пилотов и, при необходимости передача этого отклонения в автопилот.

В соответствии с положениями «Руководству по требуемым навигационным характеристикам», в качестве источников информации о местоположении могут использоваться угломерная система VOR, дальномерная система DME, разностно-дальномерная система LORAN-C, инерциальная навигационная система (ИНС), глобальная спутниковая навигационная система GNSS.

Ниже приведена краткая характеристика различных способов определения местоположения, обеспечиваемых перечисленными системами, расположив их в порядке возрастания точности.

VOR/DME - это самый старый из способов, применяемых в RNAV. В принципе, он заключается в преобразовании бортовым компьютером пеленга и дальности от радиомаяка в линейное боковое уклонение от ЛЗП, оставшееся расстояние и расчете на их основе всех других необходимых для RNAV элементов. В наиболее простых видах оборудования, обеспечивающих такой способ, радиомаяк как бы «смещается» в точку пути, на которую следует ВС, и осуществляется наведение на этот мнимый радиомаяк. Местоположение точек пути задается в этом случае не геодезическими координатами, а пеленгом и дальностью от VOR. При этом оборудование должно давать возможность ввода не менее трех точек пути.

Невысокая точность данного способа определения координат связана в основном с азимутальным каналом системы, то есть с VOR. В любых угломерных системах линейная погрешность определения местоположения возрастает пропорционально удалению от радиомаяка. В соответствии с данными, приведенными в «Minimum Aviation System Performance Standards: Required Navigation Performance for Area Navigation. RTCA DO 236A/EUROCAE ED-75», суммарная средняя квадратическая погрешность определения пеленга по VOR, учитывающая погрешности бортового и наземного оборудования, составляет порядка 1°-2°. Это значение ограничивает максимально допустимую дальность использования радиомаяка, которая зависит, конечно, и от требований к точности навигации в данном районе. Эта дальность может меняться от 20 до 100 м. миль (соответственно для RNP 0.3 и RNP 2) [1].

LORAN-C - это импульсно-фазовая разностно-дальномерная радионавигационная система, первоначально предназначаемая для судовождения, но широко используемая и в авиации. Станции этой системы объединены в цепочки из-3-5 станций, обслуживающих большой район и работающих совместно по синхронизированному графику излучения. Максимальная дальность действия системы составляет обычно до 1000 м. миль. Советский аналог данной системы - РСДН-10 (Радиотехническая система дальней навигации).

Бортовое оборудование, работающее с этой системой, например отечественный «КВИТОК» (А-723), обеспечивает определение и индикацию геодезических координат (широты и долготы), ввод маршрута полета, определение уклонения и расчет многих других навигационных параметров. В принципе LORAN-C (РСДН-10) обладает неплохой точностью (погрешность определения линии положения порядка 0,5 км), но имеет и недостатки. Она подвержена влиянию как естественных, так и искусственных помех. Изменение проводимости поверхности Земли, атмосферные помехи, низкочастотные излучения линий электропередач и прочие факторы могут непредсказуемо понизить точность системы. К тому же, отказ даже одного из передатчиков цепочки приведет к прекращению обслуживания всего региона. Поэтому использование LORAN-C для RNAV будет ограничено районами с хорошими характеристиками приема сигнала поверхностной волны. Использование же этой системы как основного источника информации в условиях повышенных требований RNP RNAV и, тем более, в системе CNS/ATM не предполагается.

ИНС - инерциальные навигационные системы являются автономными системами определения местоположения ВС на основе счисления координат. Измеренные акселерометрами ускорения ВС по трем осям координат интегрируются цифровым вычислителем, что дает возможность получить координаты места ВС и всю другую необходимую для навигации информацию.

В традиционных ИНС акселерометры устанавливают на стабилизированной по азимуту и вертикали гироплатформе. В современных ИНС платформа отсутствует, акселерометры жестко связаны с ВС, а их угловая ориентация определяется по сигналам лазерных датчиков угловых скоростей (на отечественном авиационном сленге их называют «лазерными гироскопами», что, по сути, конечно, неправильно).

Общей чертой любой системы счисления пути является возрастание погрешностей определения координат с увеличением продолжительности полета, поэтому их и характеризуют величиной «ухода» счисленного места самолета от фактического за час полета. В «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам» приведено значение этой величины, равное 1,5 - 2 м. мили за час, но современные бесплатформенные ИНС обеспечивают и более высокую точность. Так, по экспериментальным данным, полученным в АО «Аэрофлот» на самолетах Ил-96-300, на которых установлена американская ИНС «Litton-90-100», средняя квадратическая радиальная погрешность определения места самолета этими системами имеет порядок 0,5 м. миль в час [5].

Тем не менее, по причине возрастания погрешностей ИНС не могут использоваться в качестве оборудования RNAV без периодической коррекции счисленных координат по другим средствам (СНС, DME и т.д.). На борту ВС обычно устанавливается три одинаковых комплекта ИНС, что позволяет повысить точность и надежность навигации. Для повышения функциональной надежности системы и увеличения возможной продолжительности полета до очередной коррекции координат в современных навигационных комплексах используются различные алгоритмы комплексной обработки информации - от простого осреднения координат, выданных тремя идентичными ИНС, до сложных алгоритмов оптимальной фильтрации.

Следует отметить, что в настоящее время роль систем счисления пути в навигационных комплексах меняется на прямо противоположную. На протяжении долгого времени они использовались как основное средство, позволяющее непрерывно определять координаты, а другие средства использовались только для коррекции. Теперь же, с появлением СНС, которые также практически непрерывно выдают гораздо более точные координаты, системы счисления пути уже стали играть роль вспомогательного средства, которое используется для контроля спутниковой информации, а также для определения места ВС в те непродолжительные промежутки времени, когда целостность СНС не обеспечивается. Такой подход реализован при разработке отечественной навигационной интегрированной системы НСИ-2000, а также в некоторых других зарубежных и российских навигационных системах.

Наличие в составе навигационного комплекса ИНС, СНС и цифрового вычислителя полностью обеспечивает решение всех задач RNAV, включая ввод и сохранение маршрута полета, наведение по линии пути.

DME/DME. Дальномерный способ определения координат (по дальностям до двух радиомаяков DME) обеспечивает более высокую точность определения местоположения, чем угломерно-дальномерный. Это обусловлено достаточно высокой точностью измерения дальностей и сравнительно медленным возрастанием погрешностей по мере увеличения самой дальности. Так, вблизи радиомаяка средняя квадратическая погрешность измерения дальности составляет около 0,1 м. мили, а на удалении 140 м. миль имеет порядок 1,8 м. мили.

Для определения местоположения дальномерным способом ВС должно находиться одновременно в зонах действия двух радиомаяков. Над территорией Европы и США это условие, как правило, с избытком обеспечивается, поэтому способ «DME/DME» рассматривается ИКАО как один из основных методов RNAV в континентальных районах наряду с методами спутниковой навигации [1].

К глобальным спутниковым навигационным системам относят действующие в настоящее время американскую GPS Navstar (чаще на нее ссылаются просто как на GPS) и отечественную ГЛОНАСС. Планируется внедрение и других спутниковых систем.

GNSS основаны на псевдодальномерном способе определения координат. Значение средней квадратической погрешности измерения дальности, которое «Minimum Aviation System Performance Standards: Required Navigation Performance for Area Navigation. RTCA DO 236A/EUROCAE ED-75» рекомендует использовать для оценки соответствия RNP RNAV, составляет 33 метра. Наряду с высокой точностью, приемо-индикаторы СНС обеспечивают решение практически всех задач, которые необходимы для RNAV. Это делает GNSS основной системой, на которой базируется зональная навигация в настоящее время и, тем более, в будущем при внедрении CNS/ATM [4].

Для обеспечения наведения по информации от перечисленных датчиков необходимо рассчитать отклонение от заданной траектории и другие требуемые для RNAV параметры. С этой целью могут использоваться либо вычислители (компьютеры), входящие в состав бортового оборудования самих навигационных систем (GNSS, LORAN-С, ИНС) (рисунок 2), либо вычислитель бортовой системы управления полетом (FMS)

Индикация отклонения от заданной траектории также может осуществляться на индикаторах самих систем либо выведена на приборную доску пилота - указатели типа ПНП.

Оборудование RNAV должно иметь связь с автопилотом или, по крайней мере, допускать возможность такой связи.

«Руководство по требуемым навигационным характеристикам» определяет функциональные требования к оборудованию зональной навигации. Это означает, что не предъявляются требования установить какие-либо системы конкретного типа или принципа действия, а просто требуется, чтобы выполнялись определенные функции, решались необходимые задачи [1].

Функции, выполняемые оборудованием RNAV, разделены на обязательные и желательные.

Обязательные функции:

1) Индикация координат текущего места ВС (в виде широты и долготы либо пеленга и дальности до выбранной точки пути);

2) Выбор или ввод пилотом требуемого плана полета (маршрута) с пульта управления и индикации;

3) Хранение аэронавигационных данных в объеме, достаточном для выполнения активного плана полета, а также возможность в любой момент изменять данные плана полета в любой его части;

4) Возможность в полете работать с планом полета (составлять, проверять, изменять), не оказывая влияния на наведение по линии пути:

а) выполнение измененного плана полета только с санкции летного экипажа;

б) возможность формирования и проверки альтернативного плана полета, не отключая активный план;

в) возможность формирования плана хотя бы одним из следующих способов:

- путем ввода обозначений маршрутов;

- выбором точек пути из базы данных;

- путем ввода точек пути пользователя, задавая их широтой и долготой, пеленгом и дальностью, либо другим способом.

5) Возможность формирования планов полетов сопряжением маршрутов или участков маршрутов;

6) Обеспечение возможности контроля и корректировки отображаемого на индикаторах места ВС;

7) Обеспечение возможности автоматической смены участков маршрута и выполнения разворотов с учетом ЛУР, а также возможности вручную изменять очередность пролета точек пути (в частности, для полета в обратном направлении);

8) Индикация на ПУИ бокового отклонение от ЛЗП;

9) Индикация на ПУИ времени полета до точек пути;

10) Возможность выполнять маневры и выдерживать следующие типы траекторий:

- выполнение полета от текущего места прямо на заданную точку (Direct-To или GOTO);

- выполнение полета со смещением (OFFSET, РТК) на заданную величину, то есть полета по параллельной ЛЗП. При этом должна обеспечиваться четкая индикация того, что включен режим смещения;

11) Аннулирование предыдущих коррекций места по РТС;

12) Выдерживание схемы ожидания с применением RNAV;

13) Предоставление летному экипажу информации о степени точности и надежности текущих координат путем индикации коэффициента точности (например, HDOP) или величины отклонения вычисленного местоположения от полученного с помощью датчиков;

14) Использование системы геодезических координат WGS-84;

15) Обеспечение индикации отказов оборудования;

ПНК Garmin 1000 отвечает всем выше перечисленным требованиям и имеет возможность выполнять функции, перечисленные также выше.

Для воздушного пространства с высокой интенсивностью движения может потребоваться выполнение следующих желательных функций:

1) формирование сигналов для автопилота и командного пилотажного прибора;

2) отображение трехмерных и четырехмерных данных о местоположении;

3) индикация фактического путевого угла;

4) обеспечение не менее 10 активных точек пути на маршруте;

5) обеспечение не менее 20 активных точек в районе аэродрома;

6) предупреждение о приближении к точке пути путем визуальной сигнализации;

7) обеспечение автоматического выбора навигационных средств, проверки целостности навигационной системы, а также целесообразности перехода на ручное управление или повторного выбора;

8) соблюдение требований к характеристикам разворотов;

9) индикация информации о несоблюдении требуемой точности навигации, а также необходимой информации об отказе системы, включая ее датчики.

Эти перечисленные в «Руководство по требуемым навигационным характеристикам» обязательные и желательные функции могут быть конкретизированы при введении зональной навигации в том или ином регионе [2].

1.3 Требуемые навигационные характеристики

Концепция требуемых навигационных характеристик (RNP) является подходом к установлению требований к точности и надежности аэронавигации в том или ином регионе. Идея, лежащая в основе этого подхода, впервые была реализована в регионе Северной Атлантики при введении там минимальных навигационных требований (МНТ) или, что то же самое, MNPS (Minimum Navigation Performance Specifications). В связи с введением в этом регионе сокращенных норм бокового эшелонирования были установлены требования к точности навигации всех ВС, выполняющих попеты в воздушном пространстве MNPS. Эти требования устанавливались в виде средней квадратической погрешности определения места ВС, а также в виде той доли общего времени полета, в течение которой боковое уклонение ВС находилось в требуемых пределах. Например, одно из требований заключалось в том, чтобы за пределами полосы ±30 м. миль ВС находилось не дольше, чем 1 час на 2000 часов полета (точное значение ). При этом не требовалось обязательно устанавливать навигационные системы определенного вида - ИНС, приемники РНС «ОМЕGА» или СНС, хотя именно они и использовались для полетов в этом регионе. Главное - обеспечить требования к траектории полета, а каким именно путем - дело эксплуатанта (авиакомпании).

Такой подход, когда требования предъявляются не в форме необходимости установки на борту конкретного вида оборудования, а в виде допустимых пределов отклонений и соответствующих им вероятностей, оказался достаточно продуктивным. Он удобен всем участникам авиационного процесса. Органам ОВД - потому, что они теперь уверены: в их зоне ответственности выполняют полеты только ВС с характеристиками не хуже требуемых. Производителям навигационного оборудования - потому, что для них теперь задана требуемая точность выпускаемых навигационных систем. И авиакомпаниям, летным экипажам определены необходимые ориентиры: какие устанавливать бортовые системы, каков должен быть уровень подготовки экипажей, какие должны быть разработаны навигационные процедуры.

Дальнейшее развитие этот подход и получил в концепции RNP, которая была разработана в 1987 г. комиссией ИКАО по будущим навигационным системам и затем развивалась группой экспертов по рассмотрению общей концепции эшелонирования.

RNP, установленные в том или ином районе (области воздушного пространства), характеризуются своим типом (RNP type), который и определяет требуемую точность аэронавигации в этом районе.

Как известно, точность навигации характеризуется величиной погрешности выдерживания заданной траектории, которая в «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам» называется общей погрешностью системы (TSE - Total System Error). Погрешности рассматриваются отдельно по боковой и продольной координатам.

По боковой координате, то есть в направлении, перпендикулярном ЛЗП, TSE представляет собой расстояние между фактическим местоположением ВС и линией заданного пути в навигационной системе. Она включает в себя следующие составляющие:

1) Погрешность навигационной системы. Она характеризует точность датчиков, используемых для определения координат, и включает в себя, в свою очередь, погрешности наземного и бортового оборудования, а также внешние погрешности, возникающие, например, при распространении радиоволн в пространстве;

2) Погрешность вычисления данных RNAV. Возникает при преобразовании информации от датчиков в информацию об отклонении от заданной траектории. Например, пеленга и дальности - в линейное боковое уклонение;

3) Погрешность системы индикации. Возникает при отображении на индикаторах информации, необходимой для наведения: отклонения планки прибора типа ПНП, местоположения ВС на синтезированной карте дисплея и т.п. Сюда же включаются погрешности задания траектории, возникающие, например, из-за неточного определения или округления координат точек пути;

4) Погрешность пилотирования (FTE, Flight Technical Error). Это расстояние между местоположением ВС, которое пилот видит на индикаторе, и заданным местоположением (ЛЗП) на этом же индикаторе. Это единственная составляющая TSE, которую экипаж может непосредственно наблюдать.

По продольной координате (вдоль ЛЗП) TSE представляет собой разность между отображенным на индикаторе расстоянием ВС до точки-пути и фактическим расстоянием до этой точки. Она включает в себя почти те же составляющие, что и по боковой координате, - погрешности навигационной системы, вычисления данных и индикации. Отсутствует лишь погрешность пилотирования. Ведь поскольку нет заданного местоположения по продольной координате в данный момент времени, то нельзя и определить отклонение от него. Но, конечно, ситуация изменится с введением TNAV;

Тип RNP обозначается числом, которое представляет собой выраженную в морских милях так называемую величину удерживания (containment value), определяющую допустимые отклонения. Понятно, что поскольку все составляющие TSE являются случайными, невозможно требовать стопроцентного выдерживания коридора шириной плюс-минус величину удерживания. Поэтому сущность предъявляемых конкретным типом RNP требований к точности навигации заключается в том, что в течение 95% полетного времени на любом участке одного полета TSE не должна превышать величину удерживания в каждом измерении (и по боковой, и по продольной координатам). Иначе говоря, численное значение типа RNP обозначает допустимую TSE, выраженную для горизонтальной навигации (LNAV) в морских милях.

Например, для RNP 4 линейное боковое уклонение от ЛЗП, а также погрешность отображения оставшегося расстояния до точки пути не должны превышать 4 м. мили в течение не менее 95% времени полета. Здесь число 4 является величиной удерживания и обозначает тип RNP.

Значение «95% времени», соответствующее вероятности нахождения ВС в пределах коридора, равной 0,95, выбрано потому, что для многих видов законов распределения случайных погрешностей (в частности, для нормального закона и закона Лапласа) это значение вероятности примерно соответствует удвоенной средней квадратической погрешности («сигме»). Это означает, что, например, для RNP 4 средняя квадратическая погрешность выдерживания ЛЗП должна составлять 2 м. мили. Если бы было выбрано другое значение вероятности, пришлось бы оговаривать еще и вид распределения.

Необходимо отметить, что ранее, в первом издании «Руководства по требуемым навигационным характеристикам», величина удерживания рассматривалась как допустимая радиальная погрешность - расстояние между фактическим и заданным местоположением ВС. Но это оказалось неудобным при оценке точности навигации в отдельности по каждой координате, тем более, что и составляющие погрешности по разным координатам несколько различаются. К тому же, «заданного местоположения» вовсе не существует, если не задана пространственно-временная траектория полета.

«Руководство по требуемым навигационным характеристикам RNP», разработанное ИКАО, пока еще, в данном издании, не формулирует требований к точности по высоте и времени, не устанавливает для них классификацию типов RNP. Но, как будет показано ниже, такие требования уже устанавливаются другими международными организациями.

С практической точки зрения важно знать допускаемую погрешность пилотирования (FTE). Иногда в литературе, пользуясь дословным, но не точным переводом с английского, ее называют погрешностью техники пилотирования. Это может вызвать неправильные ассоциации, поскольку техникой пилотирования обычно называют совокупность приемов управления самолетом, искусство пилота. В данном же случае FTE характеризует не мастерство отдельного пилота или отклонение от принятой «техники пилотирования», а просто те возможности, которые обеспечивает данный способ управления ВС, то есть пилотирования.

Как уже отмечалось, FTE характеризует отклонения индицируемого местоположения ВС, возникающие при различных способах управления самолетом - ручном (штурвальном), директорном или автоматическом, - от также отображаемой на приборах заданной траектории полета.

В таблице 1 приводятся предполагаемые значения FTE для LNAV для различных этапов полёта и режимов управления [2].

Предполагаемые значения FTE (при вероятности 95% ) - Таблица 1

Этап полета	Режим управления
	Ручной	Директорный	Автоматический
	Мили	Км.	Мили	Км.	Мили	Км.
Океанические маршруты (треки)	2.0	3.7	0.5	0.93	0.25	0.463
Континентальные маршруты	1.0	1.85	0.5	0.93	0.25	0.463
ТМА (вылет и прибытие)	1.0	1.85	0.5	0.93	0.25	0.463
Заход на посадку	0.5	0.93	0.25	0.463	0.125	0.231

1.4 Типы RNP

Типы RNP подразделяются на маршрутные, аэроузловые и аэродромные. ИКАО определила в качестве основных (стандартных) типы RNP, которые представлены в таблице 2.

Тип RNP1 предусматривается для обеспечения наиболее эффективных полетов по маршрутам ОВД и в аэроузловой зоне при использовании наиболее точной информации о месте ВС, а также для применения методов зональной навигации, позволяющих получить наибольшую гибкость при организации и изменении маршрутов осуществлении в режиме реального времени необходимых корректировок в соответствии с потребностями структуры воздушного пространства. Этот тип RNP предусматривает наиболее эффективное обеспечение полетов, использование правил полетов и организации воздушного пространства при переходе от полета в районе аэродрома к полету по маршруту ОВД и в обратном порядке, т.е. при выполнении SID и STAR.



Типы RNP - Таблица 2

Величина удерживания	Тип RNP
	1	4	10	12.6	20
В морских милях	±1	±4	±10	±12.6	±20
В километрах	±1.85	±7.4	±18.5	±23.3	±37.0

Тип RNP4 предназначается для маршрутов ОВД, основанных на ограниченном расстоянии между навигационными средствами. Этот тип RNP обычно используется в воздушном пространстве, расположенном над континентом. Устанавливая им точность аэронавигации соответствует требуемой точности на обычных маршрутах, задаваемых VOR, которая использовалась и до введения концепции RNP.

Тип RNP10 предусматривается для сокращения минимумов бокового и продольного эшелонирования. Он повышает эксплуатационную эффективность в океаническом воздушном пространстве и районах, где возможности использования наземных навигационных средств ограничены.

Тип RNP12.6 обеспечивает ограниченную оптимизацию маршрутов в районах с пониженным уровнем обеспечения навигационными средствами. Численное значение величины удерживания соответствует удвоенной средней квадратической погрешности определения места ВС, являющейся одним из параметров MNPS в Северной Атлантике.

Тип RNP20 характеризует минимальные возможности по точности определения МВС, которые считаются приемлемыми для обеспечения полетов по маршрутам ОВД любым ВС в любом контролируемом воздушном пространстве в любое время. Он как бы соответствует такой плохой точности, что еще меньшую требуемую точность нет смысла устанавливать.

Широко используются и нестандартные типы, то есть не перечисленные в «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам».

В районах выполнения полетов воздушными судами, точность навигации которых превышает требования RNP4 и в которых для контроля воздушного движения используются средства независимого радиолокационного наблюдения, может использоваться ширина коридора ±5 км (±2.7 м. миль), т.е. значение типа RNP 2.7. Следует отметить, что в СССР данное значение ширины коридора ± 5 км в Московской воздушной зоне и некоторых других аэродромных зонах было установлено еще до введения концепции RNP. В США для полетов по трассам также применяется нестандартный тип RNP 2 [1].