Бортовое оборудование RNAV - Основы зональной навигации и ее применение в пилотажно-навигационном комплексе Garmin 1000

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].

Похожие статьи




Бортовое оборудование RNAV - Основы зональной навигации и ее применение в пилотажно-навигационном комплексе Garmin 1000

Предыдущая | Следующая