Разработка рекомендаций по внедрению в Российской Федерации навигации, основанной на характеристиках при полетах в районе аэродрома

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Деятельность гражданской авиации не может быть эффективной без эффективной деятельности системы организации воздушного движения, которая призвана обеспечивать безопасное, экономичное, регулярное воздушное движение и другую деятельность по использованию воздушного пространства в интересах граждан, экономики, обороны и безопасности государства.

Однако в настоящее время Единая система организации воздушного движения Российской Федерации существенно отстала в своем развитии, как от уровня аналогичных систем сопредельных государств, так и от уровня государств Западной Европы, США и Канады. По этой причине в настоящее время невозможна интеграция национальной системы ОрВД в мировую, что, безусловно, ограничивает ее использование в интересах мирового воздушного транспорта и отрицательно влияет на экономические показатели её деятельности.

Состояние ОрВД заботит не только авиационные круги России, но также и мировое авиационное сообщество. Это определяется особым географическим положением страны, через территорию которой проходит целый ряд выгодных транзитных маршрутов. Экономия времени полета по этим маршрутам может достигать нескольких часов. Развитие Единой системы должно отвечать не только внутренним потребностям страны, но и международным, и эволюционно, через гармонизацию с зарубежными системами, перейти к интеграции в мировую. Для этого системе ОрВД необходимо соответствовать требованиям пользователей ее услуг и незамедлительно применять методы глобального аэронавигационного планирования развития национальной системы ОрВД. Одним из ключевых элементов глобальной стратегии по внедрению систем связи, навигации, наблюдения / организации воздушного движения (CNS/ATM) ИКАО определяет новую концепцию навигации на основе характеристик (PBN).

По словам президента совета ИКАО Роберто Кобе Гонсалеса, PBN позволит снизить загруженность аэропортов и воздушного пространства, сократить расход топлива и защитить окружающую среду от воздействия авиации, снизить уровень шума в зоне аэропортов и обеспечить надежную эксплуатацию воздушных судов в любых погодных условиях. Она также придаст бульшую гибкость эксплуатантам и повысит безопасность и эффективность полетов. [8]

Многие страны мира, такие как США, Австралия уже успешно внедрили новую концепцию и отмечают её значительное преимущество. В России пока данный процесс находится на начальной стадии. Особенно важно в этом процессе уделить внимание совершенствованию концепции воздушного пространства в районе аэродрома.

Маневрирование в районе аэродрома является наиболее сложным этапом полета, требующим особенно точного выдерживания заданной траектории, в целях обеспечения безопасности и высокой пропускной способности. Целесообразно продолжить модернизацию отечественной системы ОрВД постепенным внедрением полетов на этапах прибытия, вылета и захода на посадку с использованием навигации основанной на характеристиках, особенно учитывая тот факт, что интенсивность полетов в воздушном пространстве Российской Федерации по ряду оценок значительно возрастет на протяжении следующих лет.

Целью данной дипломной работы является разработка предложений и рекомендаций по внедрению в Российской Федерации навигации, основанной на характеристиках при полетах в районе аэродрома. Рекомендации основаны на анализе концепции PBN, инфраструктуры навигационных средств зональной навигации, особенностей RNAV в районе аэродрома, состояния и потребностей воздушного пространства Российской Федерации.

1. Описание навигации, основанной на характеристиках

1.1 Переход к концепции PBN

В 80-х годах мировое авиационное сообщество столкнулось с серьезными проблемами. В связи с увеличением спроса на воздушные перевозки, страны были вынуждены найти решения, как безопасно повысить пропускную способность воздушного пространства, эффективность полетов, и обеспечить легкий доступ, например, к аэродромам со сложным рельефом. Эти проблемы в основном были связаны с использованием традиционного метода навигации по маршрутам проходящих через наземные радиотехнических средствах, таких как VOR, NDB, ограниченных по дальности действия, точности и функциональным возможностям, что в свою очередь препятствовало возможности свободного построения маршрутов и аэродромных схем. Таким образом, стала обсуждаться возможность полетов по произвольным траекториям, не обязательно проходящим через радиомаяки. Вслед за традиционным способом навигации следующим шагом стала зональная навигация (RNAV, Area Navigation) - 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). [4]

Эволюция RNAV стала возможной по мере появления спутниковых средств навигации на основе навигационных сигналов систем GNSS, а также усовершенствования бортовых инерциальных средств навигации. Зональная навигация позволяет осуществлять полеты по точкам на трассе, не привязанным к наземным радионавигационным средствам, что значительно повышает гибкость дизайна воздушных трасс.

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. 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).

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). [4]

С добавлением к RNAV функциональной возможности мониторинга, что получило название RNP (Required navigation performance), стала возможной еще большая оптимизация использования воздушного пространства. Мониторинг эксплуатационных характеристик и выдача предупреждений на борту ВС указывают на «нахождение ВС в пределах» относительно минимальных требований к техническим характеристикам аэронавигационных систем (MASPS, Minimum Aviation System Performance Standards), а также положений Приложения 11 к конвенции о международной гражданской авиации или PANSOPS. Мониторинг эксплуатационных характеристик и выдача предупреждений на борту ВС позволяют летному экипажу определять, когда система RNP не достигает требуемых от нее эксплуатационных характеристик.

Необходимость применения зональной навигации на основе RNAV/RNP диктуется растущей потребностью в решениях проблемы насыщения воздушного пространства, требованием к повышению топливной эффективности, усиливающимися требованиями к защите окружающей среды, растущей потребностью в заходах на посадку на основе RNAV (безопасность полетов, доступность аэропортов). Эти требования могут быть выполнены с помощью RNAV/RNP, однако для этого необходимо обеспечить стандартизацию и установить эксплуатационные требования.

Именно с этой целью специальный комитет по будущим аэронавигационным системам ИКАО (FANS) определил потребность в навигации на основе эксплуатационных характеристик и разработал концепцию способности к производству полетов на основе Требуемых навигационных характеристик (RNP).

Было разработано Руководство по требуемым навигационным характеристикам (Док. 9613), которое изначально охватывало исключительно маршрутный этап полета в океаническом воздушном пространстве и удаленных районах континентального воздушного пространства, при этом не содержало требований RNP ИКАО для применения на маршрутном этапе полета в континентальном ВП и в зонах аэродрома. Отсутствие единого и всеобъемлющего руководства ИКАО привело к распространению различных национальных стандартов, широкому разнообразию как функциональных требований, так и требуемых навигационных датчиков, а также к различиям в требованиях к экипажам, различиям в отраслевой концепции RNP (мониторинг эксплуатационных характеристик и выдача предупреждений на борту ВС) и полному отсутствию глобальной гармонизации.

Стало ясно, что концепция требует корректировки для гарантии четкого разграничения между полетами, требующими мониторинга эксплуатационных характеристик и выдачи предупреждений на борту ВС, и полетами, не требующими мониторинга и выдачи предупреждений, всеобщей гармонизации текущих полетов на основе RNAV и RNP, разработки новых навигационных технических требований в целях удовлетворения эксплуатационных потребностей, а также формулировки четких требований к эксплуатации и руководящих указаниях по внедрению.

С этой целью была создана специальная исследовательская группа по эксплуатационным требованиям RNP, которая разработала концепцию навигации на основе характеристик (PBN, Performance based navigation), охватывающую применение зональной навигации на основе эксплуатационных требованиях к воздушному судну, выраженных в навигационных технических требованиях.

Концепция была включена в Руководство по навигации на основе характеристик (Performance-Based Navigation Manual) ИКАО (Doc 9613), которое заменило Руководство по требуемым навигационным характеристикам. Новый документ должен обеспечить государствам «единый источник информации» о том, как внедрять RNAV и RNP в своем воздушном пространстве.

Концепция PBN представляет собой переход от навигации, основанной на датчиках, к навигации, основанной на характеристиках. Требования к характеристикам указываются в навигационных спецификациях, в которых также определяется, какие навигационные датчики и оборудование можно использовать для соблюдения этих требований к характеристикам. Эти навигационные спецификации излагаются достаточно подробно, с тем, чтобы обеспечить согласованность действий на глобальном уровне путем предоставления государствам и эксплуатантам конкретного инструктивного материала относительно реализации. При использовании PBN общие навигационные требования определяются на основании эксплуатационных требований. Эксплуатанты затем рассматривают различные варианты с учетом имеющихся технических средств и навигационного обслуживания, которые позволили бы обеспечить соблюдение данных требований.

Таким образом, у эксплуатанта имеется возможность выбрать более рентабельный вариант, а не решение, которое предписывается в качестве составной части эксплуатационных требований. Техника со временем совершенствуется, однако при этом нет необходимости пересматривать как таковой эксплуатационный процесс, до тех пор пока система RNAV обеспечивает ожидаемый уровень характеристик. [1]

Навигация на основе характеристик является составной и очень важной частью концепции CNS/ATM (Communication, Navigation and Surveillance/Air Traffic Management) - системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения, разработанной ИКАО в конце 80-х годов. По масштабу производимых изменений переход к системам CNS/ATM является, пожалуй, самой крупной и дорогой программой в истории гражданской авиации. Основная цель концепции CNS/ATM - удовлетворение возрастающих потребностей авиационного сообщества в эффективном использовании воздушного пространства. Своим возникновением концепция CNS/ATM во многом обязана появлению спутниковых систем навигации и связи. Космические аппараты вместе с наземными средствами составят в будущем исчерпывающую систему связи и навигации. Система CNS/ATM предоставит практически неограниченные возможности летать по оптимальным маршрутам, экономить топливо, увеличивать пропускную способность воздушного пространства и обеспечивать высокую безопасность полетов.

В ходе 36-й Ассамблеи ИКАО, представителями государств была единогласно принята Резолюция А36/23, которая призывает все государства - члены Организации к внедрению стандартов RNAV и RNP при выполнении полетов на маршруте и в зоне аэропорта и схем захода на посадку с вертикальным наведением в соответствии с инструктивными материалами Руководства по навигации на основе характеристик ИКАО (Doc 9613).

1 апреля 2009 г. ИКАО, ее государства-члены и партнеры по отрасли, участвуя в Международной рабочей группе внедрения PBN, подписали новую декларацию, в которой содержится призыв к активизации усилий по внедрению PBN.

В дополнение к рабочим группам по внедрению PBN, которые созданы во всех региональных бюро ИКАО, были сформированы отдельные рабочие органы и группы для осуществления надзора за различными аспектами деятельности, связанной с внедрением PBN.

PBN является одним из ключевых инструментов реализации инициатив NextGen (Система организации воздушного движения нового поколения) FAA и европейской SESAR (Исследовательская программа по усовершенствованию системы ОрВД «Единое европейское небо»), которые являются наиболее известными примерами внедрения будущей глобальной концепции ОрВД ИКАО на региональном уровне.

Практика показывает, что внедрение PBN дает следующие преимущества:

1. Повышение безопасности полетов в воздушном пространстве путем внедрения схем непрерывного и стабилизированного снижения с вертикальным наведением.

2. Сокращение времени полета благодаря внедрению оптимальных траекторий полета с соответствующим снижением расхода топлива, уровня шума и вредных выбросов в атмосферу.

3. Использование существующих возможностей воздушных судов при полетах по правилам RNAV и / или RNP.

4. Возможность входа в зону аэропорта и воздушное пространство по усовершенствованным схемам в любых погодных условиях; возможность безопасного пролета препятствий и соблюдения экологических норм путем использования оптимизированных траекторий полета по RNAV или RNP.

5. Внедрение более точных траекторий захода на посадку, вылета и прибытия в целях упорядочить и разредить потоки воздушного движения.

6. Минимизация задержек в воздушном пространстве и зонах аэропортов с высокой интенсивностью воздушного движения путем внедрения дополнительных параллельных маршрутов и пунктов вылета и прибытия в зонах аэропорта.

7. Сокращение интервалов между воздушными судами при горизонтальном и вертикальном эшелонировании для увеличения пропускной способности воздушного пространства.

8. Снижение нагрузки на диспетчеров УВД и летные экипажи благодаря применению схем RNAV/RNP и возможностей бортового оборудования.

9. Сокращение объема радиосвязи между экипажами и диспетчерами УВД и радиолокационного наведения.

10. Повышение предсказуемости траектории полета. [8]

1.2 Концепция воздушного пространства

Концепцию воздушного пространства можно рассматривать как общее видение или генеральный план конкретного воздушного пространства. Основываясь на конкретных принципах, концепция воздушного пространства направлена на достижение конкретных целей. Стратегические цели являются движущим фактором, определяющим общее видение концепции воздушного пространства. Как правило, эти цели определяются пользователями воздушного пространства, организацией воздушного движения (ОрВД), аэропортами, а также политикой в области окружающей среды и государственной политикой. Функцией концепции воздушного пространства и концепции полетов и является соблюдение этих требований. Стратегическими целями, которые в большинстве случаев являются определяющими факторами концепции воздушного пространства, являются безопасность полетов, пропускная способность, эффективность, доступ и окружающая среда. (рис. 1)

Рис. 1. Стратегические цели применительно к концепции воздушного пространства

Для удовлетворения потребностей концепции воздушного пространства требуется определить навигационные функциональные требовании в рамках контекста навигации, основанной на характеристиках. Эти требования формализованы в навигационной спецификации, которая, наряду с инфраструктурой навигационных средств, обеспечивает конкретный навигационный прикладной процесс. В качестве составной части концепции воздушного пространства, навигационные прикладные процессы также имеют отношение к связи, наблюдению ОВД, ОрВД, средствам УВД и производству полетов. Концепция воздушного пространства объединяет все эти элементы вместе в одно единое целое. Определяется роль, которую будет играть каждый инструмент реализации в общей концепции. Ни один «инструмент реализации» не может быть разработан изолировано. PBN является одним из нескольких инструментов реализации концепции воздушного пространства наряду со связью, наблюдением и ОрВД. Это показано на рис. 2.



Рис. 2. Взаимосвязь навигации, основанной на характеристиках и концепции воздушного пространства

Концепция навигации, основанной на характеристиках (PBN), базируется на использовании системы зональной навигации.

Применение PBN основывается на двух главных исходных компонентах:

1) инфраструктуре навигационных средств. Под инфраструктурой навигационных средств понимаются наземные или спутниковые навигационные средства. Наземные навигационные средства включают DME и VOR. Спутниковые навигационные средства включают элементы GNSS.

2) навигационной спецификации. Навигационная спецификация используется государством в качестве основы для разработки материала для утверждения летной годности и эксплуатации. В навигационной спецификации детализируются: требуемые от системы RNAV характеристики в виде точности, целостности, эксплуатационной готовности и непрерывности; какими навигационными функциональными возможностями система RNAV должна обладать; какие навигационные датчики должны быть интегрированы в систему RNAV, а также какие требования предъявлять к летному экипажу. Навигационной спецификацией является либо спецификация RNP, либо спецификация RNAV. Спецификация RNP включает требование к автономному контролю на борту за выдерживанием характеристик и выдаче предупреждений, в то время как в спецификации RNAV такое требование отсутствует.

Точность навигации характеризуется величиной погрешности выдерживания заданной траектории, которая 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: погрешность определения траектории (PDE), погрешность техники пилотирования (FTE) и погрешность навигационной системы (NSE), как это показано на рис. 3.

1) PDE имеет место, когда определенная системой RNAV траектория не совпадает с желаемой траекторией, т.е. с траекторией, по которой должен выполняться полет над землей.

2) FTE относится к способности летного экипажа или автопилота следовать по определенной траектории или линии пути, включая любые погрешности индикации (например, погрешность центрирования индикатора отклонения от курса (CDI)).

3) NSE представляет собой разницу между расчетным и фактическим местоположением воздушного судна.

Предполагается, что распределение этих погрешностей является гауссовым, вследствие чего распределение суммарной погрешности системы (TSE) является также гауссовым.



Рис. 3. Погрешности боковой навигации (95%)

По продольной координате (вдоль ЛЗП) TSE представляет собой разность между отображенным на индикаторе расстоянием ВС до точки-пути и фактическим расстоянием до этой точки. Продольные характеристики подразумевают навигацию по отношению местоположения вдоль линии пути (например, управление 4-D). Однако в настоящее время навигационные спецификации, требующие управления 4-D, отсутствуют и в продольном измерении FTE не существует. Текущие навигационные спецификации определяют требования в отношении точности продольного выдерживания линии пути, которое включает NSE и PDE. Считается, что PDE можно пренебречь.

Требования к точности спецификаций RNAV и RNP определены для бокового и продольного измерений. Требования спецификаций RNP к контролю на борту за выдерживанием характеристик и выдаче предупреждений определяются для бокового измерения в целях оценки соблюдения характеристик воздушным судном. Однако NSE считается радиальной погрешностью, и таким образом контроль на борту за выдерживанием характеристик и выдача предупреждений обеспечивается во всех направлениях. Предполагается, что полная и соответствующая 95% погрешность RNP распределена в пределах круга с радиусом, равным величине RNP.

Целостность характеризует способность системы выдавать пользователю своевременное предупреждение в тех случаях, когда эта система не может обеспечить точность, требуемую в данном регионе или на данном этапе полета.

Эксплуатационная готовность - показатель способности системы обеспечивать надлежащее обслуживание в пределах установленной зоны действия. Определяется в виде интервала времени, в течение которого система должна использоваться для навигации.

Непрерывность - это способность системы удовлетворять требованиям целостности удерживания без непредусмотренных перерывов. Под такими «непредусмотренными перерывами» понимается одна из следующих ситуаций:

- полная потеря системой навигационной способности (ее отказ);

- частичная потеря навигационной способности, при которой система ее выявила и информирует летный экипаж, что она не может обеспечить выполнение требований RNP RNAV;

- ложное информирование летного экипажа о неспособности системы обеспечить выполнение требований RNP RNAV.

Как спецификации RNAV, так и спецификации RNP включают требования в отношении определенных навигационных функциональных возможностей. На базовом уровне эти функциональные требования могут включать:

- постоянную индикацию местоположения воздушного судна относительно линии пути, которая должна отображаться пилоту на навигационном индикаторе, расположенном в его основном поле зрения;

- индикацию расстояния и пеленга до активной точки пути;

- индикацию путевой скорости и времени до активной точки пути;

- функцию хранения навигационных данных;

- соответствующую индикацию отказа системы RNAV, включая датчики.

Более усложненные навигационные спецификации включают требование в отношении навигационных баз данных, а также в отношении возможности выполнения процедур базы данных.

Контроль на борту за выдерживанием характеристик и выдача предупреждений является основным элементом, который определяет, отвечает ли навигационная система необходимому уровню безопасности, соответствующему данному применению RNP; это относится как к боковым, так и продольным навигационным характеристикам, а также позволяет летному экипажу обнаружить, что навигационная система не обеспечивает или не может гарантировать с целостностью навигационные характеристики, требуемые для данного полета (рис. 4).

Системы RNP позволяют повысить целостность операций; это может позволить сократить разделение маршрутов и обеспечить достаточную целостность для использования в конкретном воздушном пространстве для навигации только систем RNAV. Таким образом, применение систем RNP может дать значительные преимущества в области безопасности полетов, эксплуатации и эффективности.

Для полетов в океаническом, удаленном воздушном пространстве, по маршруту и в районе аэродрома спецификация RNP обозначается RNP X, например RNP 4. Спецификация RNAV обозначается RNAV X, например RNAV 1. Если в двух навигационных спецификациях используется одно и тоже значение X, для их отличия можно использовать префикс, например Advanced-RNP 1 (усовершенствованные) и Basic-RNP 1 (базовые). Как для обозначений RNP, так и RNAV, выражение «X» (где оно приводится) указывает на точность боковой навигации в морских милях, которая должна выдерживаться по крайней мере в течение 95% полетного времени всеми воздушными судами, выполняющими полеты в пределах данного воздушного пространства, по маршруту или по схеме полета. В тех случаях, когда в обозначении навигационной спецификации в качестве составного элемента используется навигационная точность, следует иметь в виду, что навигационная точность является только одним из многих требований к характеристикам, включаемых в навигационную спецификацию. [1]

Рис. 4. Пример мониторинга и выдачи предупреждений

Согласно Руководству по PBN 9613, существуют следующие навигационные спецификации:

Спецификации RNAV:

RNAV 10 (RNP 10) - Для навигационных прикладных процессов в океаническом и удаленном континентальном воздушном пространстве.

RNAV 5 - используется на этапе полета по маршруту на основе RNAV в континентальном воздушном пространстве;

RNAV 1 и 2 - используются на этапе полета по маршруту, при SID, STAR и заходах на посадку на основе RNAV вплоть до FAF/FAP;

Спецификации RNP:

RNP 4 - используется на этапе полета по маршруту на основе RNAV для обеспечения минимумов бокового и продольного эшелонирования, основанного на расстоянии, в океаническом воздушном пространстве или отдаленных районах;

Basic-RNP 1 - используется для полетов на основе RNAV при SID, STAR и заходах на посадку вплоть до FAF/FAP без или под ограниченным наблюдением органов ОВД и при движении низкой - средней плотности;

RNP APCH - используется для обеспечения схем захода на посадку на основе RNP вплоть до RNP 0,3, построенных с прямолинейными участками. Этот тип может включать требование о наличии оборудования Baro-VNAV.

RNP AR APCH - используется для обеспечения схем захода на посадку на основе RNAV с конечным участком захода на посадку, на котором требуется RNР 0,3 или меньше, построенных с прямолинейными участками и / или участками постоянного радиуса. Требует получения эксплуатационного разрешения от регламентирующего полномочного органа государства.

Спецификации RNP 2, и Advanced-RNP 1 находятся в стадии разработки.

Применение инфраструктуры навигационных средств и навигационных спецификаций в контексте концепции воздушного пространства на маршрутах ОВД и в схемах полетов по приборам приводит к появлению третьего компонента:

3) навигационного прикладного процесса. Навигационный прикладной процесс представляет собой применение навигационной спецификации и соответствующей инфраструктуры навигационных средств на маршрутах ОВД, в схемах захода на посадку по приборам и / или в определенном объеме воздушного пространства в соответствии с концепцией воздушного пространства. Прикладной процесс RNP обеспечивается спецификацией RNP. Прикладной процесс RNAV обеспечивается спецификацией RNAV.

2. Инфраструктура навигационных средств

2.1 Навигационные средства, используемые в районе аэродрома

Для обеспечения выдерживания полета с заданной точностью для выполнения требований PBN, необходимо присутствие трёх составляющих: навигационное поле, бортовое оборудование позиционирования + вычислитель, база навигационных данных (рис. 5).

Рис. 5. Условия обеспечения полетов по PBN.

Согласно требованиям спецификаций PBN, полеты могут быть основаны на использовании оборудования RNAV, которое автоматически определяет местоположение воздушного судна, используя входные данные от одного или комбинации датчиков местоположения, в сочетании со средствами, которые задают желаемую траекторию и обеспечивают следование по ней. При полетах в районе аэродрома могут быть использованы следующие системы:

- Импульсная дальномерная система (DME)

- Инерциальные навигационные системы (IRU)

- Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) и её дополнения.

Дадим общую характеристику данных систем и рассмотрим критерии, которым они должны соответствовать при полетах по PBN.

2.2 Характеристика системы DМЕ

Импульсная дальномерная система DМЕ (Distance Measuring Equipment) рекомендована ИКАО в качестве международной системы для обеспечения полетов ВС ГА. DME относится к дальномерным радионавигационным системам. Дальномерный способ определения координат DME/DME (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. [4]

Рассмотрим основные критерии концепции PBN, относящиеся к DME/DME при полетах с использованием RNAV 1 и 2.

Система RNAV DME/DME должна:

- обновлять местоположение в пределах 30с с момента настройки на навигационные средства DME;

- автоматически настраиваться на несколько средств DME;

- обеспечивать постоянное обновление местоположения по DME/DME. Третье средство DME или вторая пара должны быть работоспособны по крайней мере в течение предыдущих 30 с и, когда система RNAV переключается с одной станции / пары DME на другую, не должно быть перебоев в определении местоположения по DME/DME.

Системы RNAV DME/DME должны использовать только те средства DME, которые указаны в AIP государств. Координаты станций DME и превышение DME должны публиковаться.

Системы не должны использовать средства, указанные государством в AIP как несоответствующие полетам по RNAV 1 и / или RNAV 2, или средства, связанные с системой ILS или MLS, которая использует смещение дальности. Это можно осуществить путем:

- исключения из бортовой навигационной базы данных конкретных средств DME, которые, как известно, оказывают отрицательное воздействие на навигационное решение, когда маршруты RNAV находятся в пределах зоны приема этих средств DME;

- использования системы RNAV, которая выполняет проверки на приемлемость с целью обнаружения погрешностей сигналов, принимаемых от всех средств DME, и исключает эти средства, по мере необходимости, из навигационного решения по определению местоположения (например, не допускает настройку на средства DME с общим каналом, когда сигналы в пространстве средств DME перекрываются).

Когда необходимо генерировать определение местоположения по DME/DME, система RNAV должна использовать, как минимум, средства DME с относительным углом пересечения направлений 30-150°(рис. 7).

Система RNAV может использовать любое действительное принимаемое средство DME (перечисленное в AIP) независимо от его местонахождения. Действительное средство DME:

- передает правильный сигнал идентификатора средства;



Рис. 7. Угол между направлениями на DME должен быть ?30° и ?150°

- удовлетворяет минимальным требованиям к напряженности поля;

- защищено от других создающих помехи сигналов DME в соответствии с требованиями к общим и смежным каналам.

Когда необходимо генерировать определение местоположения по DME/DME, система RNAV, как минимум, должна использовать работоспособное и действительное DME в районе аэродрома (малая абсолютная высота) и / или на маршруте (большая абсолютная высота) в любой точке в пределах следующей зоны вокруг средства DME:

- большей чем или равной 3 м. мили (5,6 км) от средства;

- меньшей чем 40° над горизонтом, если смотреть от средства DME и на расстояние до 160 м. миль.

При использовании как минимум двух средств DME, отвечающих вышеуказанным критериям и любых других средств DME, не отвечающих этим критериям, 95-процентная погрешность расчета местоположения должна быть лучше, чем следующее уравнение, или равна ему:

2у = 2 ((у²_1,air+ у²_1,sis) + (у²_2,air + у²_2,sis))^Ѕ / Sin б, (1)

где: у_sis = 0,0926 км;

у_аir = МАХ {0,157 км или 0,125% от расстояния (как определено в RTCA DO-189 и TSO-C66c)};

30 ? б ?150.

Такое требование к характеристикам соблюдается для любой навигационной системы, которая использует одновременно две станции DME, ограничивает угол пересечения направлений DME в пределах 30° - 150° и использует датчики DME, которые отвечают точностным требованиям TSO-C66c. Если система RNAV использует средства DME за пределами их опубликованной установленной рабочей зоны действия, можно допустить, что погрешность сигнала в пространстве DME от действительных установок все еще будет уground=0,05 м. миль. [1]

Требования к готовности системы DME, согласно Руководству по PBN следующие:

Если полет выполняется с использованием DME, следует проверить выпущенные NOTAM для определения состояния критических средств DME. Пилотам следует оценить возможность выполнения полета (потенциально в другой пункт) в случае отказа критического DME во время нахождения в воздухе.

В тех случаях, когда единственным навигационным средством для обновления (коррекции) местоположения является DME, мертвые зоны в рабочей области дальномерных систем могут помешать обновлению местоположения. Интеграция инерциальных опорных блоков (IRU) может компенсировать нарушение обслуживания DME. [1]

2.3 Характеристика инерциальных навигационных систем

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.

Общей чертой любой системы счисления пути является возрастание погрешностей определения координат с увеличением продолжительности полета. [4] Оценки характеристик IRU показали, что после перехода на IRU увеличение погрешности местоположения может составить менее 2 м. миль за каждые 15 мин.

Новейшие усовершенствованные ИНС имеют более высокую точность за счет сопряжения со спутниковой навигационной системой, данные которой используются для коррекции гироскопов.

В настоящее время при полетах в районе аэродрома с использованием зональной навигации ИНС играет 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, либо в случае разрывов зоны действия DME.

Основные критерии концепции PBN, относящиеся к оборудованию DME/DME/IRU при полетах с использованием RNAV 1 и 2 следующие:

- Требуется наличие возможности автоматического обновления (коррекции) местоположения при применении решения с DME/DME. Эксплуатантам/пилотам следует связаться с изготовителями для того, чтобы уметь распознать, подавляется ли сигнализация о переходе на инерциальный полет после потери обновления радионавигационных данных

- Поскольку некоторые бортовые системы до перехода на инерциальный полет переходят на основанную, на VOR/DME навигацию, воздействие радиальной точности VOR, когда VOR находится дальше, чем 40 м. миль от воздушного судна, не должно отрицательно влиять на точность местоположения воздушного судна. Одним из способов достижения данной цели будет исключение системами RNAV средств VOR, удаленных более чем на 40 м. миль от воздушного судна. [1]

навигация зональный аэродром полет

2.4 Характеристика глобальной навигационной спутниковой системы

Глобальный аэронавигационный план применительно к системам CNS/ATM (Doc 9750) определяет Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС, GNSS, Global Navigation Satellite System) как ключевой элемент систем связи, навигации и наблюдения / организации воздушного движения (CNS/ATM), а также как основу, на которой государства могут предоставлять улучшенное аэронавигационное обслуживание и внедрять процедуры зональной навигации.

ГНСС - глобальная система определения местоположения и времени, которая включает одно или несколько созвездий спутников, бортовые приемники и систему контроля целостности, дополнения по мере необходимости с целью поддержания требуемых навигационных характеристик для планируемой операции. ГНСС используется для обеспечения полетов методом зональной навигации на маршруте, при выполнении схем стандартного вылета по приборам (SID), схем стандартного подхода по приборам (STAR), неточного захода на посадку (NPA) и точного захода на посадку.

Основными элементами ГНСС являются два основных спутниковых созвездия - это GPS и ГЛОНАСС, поддерживаемые США и Российской Федерацией, соответственно, согласно требованиям SARPs.

Внедрение в практику гражданской авиации спутниковых навигационных систем явилось поистине революционным событием. В десятки и сотни раз повысилась точность определения координат, определить местоположение ВС стало возможным в любой точке земного шара, появилась возможность использовать новые методы навигации.

GNSS обеспечит навигационное обслуживание во всех регионах земного шара, включая океанические районы, маршруты и районы аэродромов, и на всех этапах полета, включая заход на посадку вплоть до III категории. ИКАО считает, что внедрение GNSS в принципе позволит государствам полностью или частично ликвидировать существующую систему наземных навигационных средств (радиомаяков, систем посадки). Правда, к отказу от традиционных средств ИКАО призывает относиться осторожно.

В рамках концепции PBN рассматривается применение различных навигационных средств, но в качестве основного - именно СНС, поскольку только они способны обеспечить высокие требования к точности, предъявляемые на некоторых этапах полета (табл. 1).

Таблица 1. Требования к характеристикам сигналов GNSS как датчику навигационной информации

Этап полета	Точность по горизонтали	Точность по вертикали	Целостность	Время до выдачи предупреждения	Непрерывность	Готовность	RNP
Маршрут	3,7 км 2,0 м. мили	Не назначена	1 - 10-7 /ч	5 мин	От 1 - 10-4 /ч до 1 - 10-8 /ч	От 0,99 до 0.99999	От 20 до 10
Маршрут, район аэродрома (прибытие)	0,74 км 0,4 м. мили	Не назначена	1 - 10-7 /ч	15 с	От 1 - 10-4 /ч до 1 - 10-8 /ч	От 0,999 до 0,99999	От 5 до 1
Вылет, заход до выхода на прямую, неточный заход	220 м 720 фут	Не назначена	1 - 10-7 /ч	10 с	От 1 - 10-4 /ч до 1 - 10-8 /ч	От 0,99 до 0,99999	От 0,5 до 0,3
Заход на посадку с наведением по вертикали APV-I	220 м 720 фут	20 м 66 фут	1 - 2х10-7 за заход	10 с	1 - 8х10-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999	0,3/125
Заход на посадку с наведением по вертикали APV-II	16,0 м 52 фут	8,0 м 26 фут	1 - 2х10-7 за заход	6 с	1 - 8х10-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999	0,03/50
Точный заход на посадку	категория I	16,0 м 52 фут	6,0 - 4,0 м 20 -13 фут	1 - 2х10-7 за заход	6 с	1 - 8х10-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999	0.02/40
	категория II	6.9 м 23 фут	2.0 м 6.5 фут	1 - 2х10-7 за заход	2 с	1 - 8х10-6 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999	0.01/15
	категория III	6.1 м 20 фут	2.0 м 6.5 фут	1-10-7 за заход	1 с	1 - 10-7 в любые 15 с	От 0,99 до 0,99999	0.003/z

В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы: GPS, ГЛОНАСС и GALILEO.

2.5 Функциональные дополнения СНС

Требования к точности в условиях PBN иногда (например, при заходе на посадку) могут быть настолько высоки, что обычный режим использования СНС, не обеспечивает требуемой точности. Например, при заходе на посадку требуемая точность определения высоты измеряется дециметрами.

Для решения этих задач могут использоваться системы функциональных дополнений СНС (augmentation systems).

Функциональным дополнением называется комплекс технических и программных средств, предназначенный для обеспечения потребителя глобальной навигационной спутниковой системы дополнительной информацией, позволяющей повысить точность и достоверность определения его пространственных координат, составляющих скорости движения и поправки часов и гарантирующей целостность этой системы.

Существует три вида систем функциональных дополнений:

- бортовые, не требующие для своей работы наземного или космического оборудования,

- наземные, в которых используются расположенные на Земле дифференциальные корректирующие станции,

- спутниковые, в которых кроме наземных станций используются специальные спутники, передающие на борт ВС необходимую информацию.

Бортовые функциональные дополнения ABAS (Aircraftbased augmentation system) представляют собой совокупность алгоритмов работы приемника, обеспечивающих мониторинг целостности (AIM, autonomous integrity monitoring). Существует два вида такого мониторинга - RAIM и AAIM. Оба основаны на использовании избыточной навигационной информации.

RAIM (Reciever Autonomous Integrity Monitoring) - автономный контроль целостности в приемнике. Его целями являются:

- своевременное обнаружение неустойчиво работающего спутника и исключение его из обработки для навигационных определений;

- оценка текущей погрешности определения координат и выдача предупреждения экипажу, если эта погрешность превышает допустимую;

- прогноз целостности, то есть расчет геометрии расположения исправно работающих спутников и точности навигационных определений в любой заданной точке в заданное время с целью предупреждения экипажа о том, что требуемая точность и надежность навигации по СНС в этой точке не будут обеспечены.

AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring) - бортовой автономный мониторинг целостности. Он является эквивалентом или альтернативой RAIM. В этом случае избыточная информация поступает в приемник не от спутников, а от бортовых систем. Наиболее часто используется информация о координатах ВС от инерциальных систем или полученная по двум дальномерным радиомаякам (DME/DME). Часто в бортовой приемник поступает барометрическая высота от системы воздушных сигналов.

В Руководстве по PBN приведены следующие требования к готовности бортовой системы функционального дополнения (ABAS):

Уровни RAIM … можно проверить либо посредством NOTAM (где таковые выпускаются), либо с помощью прогнозирования. Эксплуатационный орган может предоставить специальные рекомендации относительно того, как соблюдать данное требование (например, если имеется достаточное число спутников, прогнозирование может не потребоваться). Эксплуатанты должны быть осведомлены о данных прогнозирования, имеющихся для намеченного маршрута. В прогнозе готовности RAIM следует учитывать последние NOTAM о созвездиях GPS и модель бортового радиоэлектронного оборудования (если таковая известна). Такое обслуживание может быть предоставлено ПАНО, изготовителем бортового радиоэлектронного оборудования, другими организациями или с помощью функции прогнозирования RAIM бортового приемника. В случае прогнозируемой, непрерывной потери соответствующего уровня обнаружения отказов в течение более 5 мин для любого участка полета … план полета следует пересмотреть (например, задержать вылет или запланировать другую схему вылета).» [1]

В настоящее время в документах ИКАО и других международных организаций отсутствуют стандарты, предъявляющие требования к алгоритмам ABAS и к уровню целостности, который они должны обеспечить. Поэтому производители бортовых приемников решают эту задачу по своему усмотрению. По некоторым оценкам RAIM и AAIM обеспечивают целостность на уровне . Но в современной навигации требования к точности и целостности иногда столь высоки (порядка ), что использование СНС в обычном режиме даже при наличии RAIM или AAIM не может их обеспечить. В этом случае используются спутниковые или наземные системы функциональных дополнений, которые основаны на дифференциальном методе определения координат.

Функциональные дополнения СНС, основанные на дифференциальном методе, разделяются на спутниковые и наземные в зависимости от того, каким образом поправки передаются на борт ВС.

Спутниковые системы функционального дополнения SВАS (SatelliteBased Augmentation System) поддерживают увеличение точности сигнала за счет использования спутниковой трансляции сообщений. Такие системы обычно состоят из нескольких наземных станций, координаты расположения которых известны с высокой степенью точности. (рис. 9). SBAS позволяет осуществлять заходы на посадку с горизонтальным и вертикальным наведением, по критериям APV I /II. (Approach with vertical guidance).

Примером исполнения SВАS является WААS (Wide Area Augmentation System - Система функционального дополнения с широкой зоной действия), созданная в США. В настоящее время система WAAS обеспечивает дифференциальным сервисом территории Канады и Мексики и значительную часть акватории Тихого Океана. Спутники передают GPS-подобный сигнал, а также поправки к эфемеридам, времени, параметрам ионосферной модели.

Рис. 9. Спутниковая система функционального дополнения

Система WAAS создана для достижения возможности использования GPS на всех этапах полета ВС, включая точный заход на посадку по I категории. Погрешности определения координат имеют порядок 34 метров (Р = 0,95).

В Европе и Азии также функционируют системы широкозонных функциональных дополнений. В Европе под эгидой Европейской комиссии, Европейского космического агентства и Евроконтроля разработана система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), которая является функциональным дополнением не только Navstar GPS, но также ГЛОНАСС и Galileo.

В системе используются три геостационарных спутника и сеть из более чем 40 станций, расположенных в основном на территории Европы. Зона действия охватывает и часть территории России (на расстоянии до тысячи километров от ее западной границы). Заявленная точность определения координат около одного метра. С 2009 г. система введена в эксплуатацию для бесплатного использования.

В Японии разработана и используется система MSAS (Multifunctional Satellite Augmentation System), являющаяся функциональным дополнением GPS. Система включает в себя два геостационарных спутника и восемь наземных станций.

Индия планирует развернуть к 2014 г. собственную систему GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation). Ожидаемая точность определения координат составляет 3 м.

В России находится в стадии разработки система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ), которая посредством средств доставки корректирующей информации и данных о целостности системы по наземным (на основе подвижных и стационарных средств доступа в сеть Интернет) и космическим (с помощью космического аппарата ретрансляции «Луч-5А») каналам обеспечивает 100% покрытие навигационным полем территории России. Развернуты также средства доставки данных о целостности системы, которые обеспечивают доставку навигационной информации потребителю с предельной задержкой 10 с.

Планируется к 2014 г. развернуть 8 опорно-измерительных (контрольных) станций - Мурманская обл. (Ловозеро), Екатеринбург, Тюменская обл. (Ноябрьск), республика Саха (Якутск и Тикси), Магадан, Владивосток и Южно-Сахалинск. Предполагается дальнейшее развитие системы и с использованием глобальной сети станций сбора измерений СДКМ в пунктах за рубежом: Антарктида (Новолазаревская), Австралия (Брисбен), Никарагуа (Манагуа), Бразилия (Натал) и Индонезия (Джакарта).

Запуск двух других аппаратов «Луч-5Б» и «Луч-4» намечен на 2012 и 2014 гг. соответственно.

Планируется также создание в рамках СДКМ системы высокоточного позиционирования с точностью навигационных определений на территории Российской Федерации и стран СНГ на уровне 3…5 см в реальном масштабе времени. [11]

Согласно документу PANSOPS, переход на навигацию SBAS осуществляется за 3,7 км (2,0 м. мили) до FAF. (рис. 10).

Рис. 10. Пример обозначения на схеме участка перехода на SBAS

Карта захода на посадку по приборам для схемы захода на посадку по SBAS озаглавливается RNAV(GNSS) Rwy XX. Если применительно к одной и той же ВПП публикуется несколько заходов на посадку по GNSS, используется условное обозначение идентичных схем, при этом заход на посадку с самым низким минимумом обозначается RNAV(GNSS) Z Rwy XX.