Зональная навигация, Основы зональной навигации - Основы зональной навигации и ее применение в пилотажно-навигационном комплексе Garmin 1000

Зональный бортовой целостность приемник

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].

маршрут угломерно-дальномерной зональной навигации

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 оборудованияP-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].

Похожие статьи




Зональная навигация, Основы зональной навигации - Основы зональной навигации и ее применение в пилотажно-навигационном комплексе Garmin 1000

Предыдущая | Следующая