Бортовое оборудование RNAV

0
329

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 [1], 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.

Дадим краткую характеристику 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 [19], 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).

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.

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.

GNSS. 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 [19] рекомендует использовать для оценки соответствия RNP RNAV, составляет 33 мет­ра (по более поздним источникам см. табл. 1.4). Наряду с высокой точностью, прие — мо-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.

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), 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» [1] 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.

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.

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 [1] обязательные и желательные функции могут быть кон­кретизированы при введении зональной навигации в том или ином регионе.