Зональная навигация с установленными типами RNP
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.
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 обпасти 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. Эти стандарты содержатся в документе [19]. Они дополняют и расширяют требования Руководства [1] таким образом, чтобы бортовые навигационные системы обеспечивали выполнение требований будущей системы CNS/ATM.
Чтобы отличать расширенные требования RTCA от обычных требований RNP, приведенных в Руководстве [1], 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.
Новыми элементами в RNP RNAV являются введение концепции удерживания (Containment Concept), а также установление требований к точности зональной навигации по высоте (VNAV) и времени. Рассмотрим эти понятия несколько более подробно.
В соответствии с [1] требования к точности предъявляются в виде RNP, установленных в том или ином регионе, и определяются величиной удерживания (containment value) Как уже отмечалось, это половина ширины коридора, в пределах которого ВС должно находиться не менее 95% времени полета. В концепции RNP RNAV дополнительно вводятся понятия предела удерживания, района удерживания, целостности удерживания, непрерывности удерживания.
Применительно к боковой координате предел удерживания (containment limit) устанавливается равным удвоенному значению величины удерживания, соответствующей типу RNP. Например, для RNP4 предел удерживания составит 8 м. миль, поэтому не следует путать эти две величины с похожими названиями. Если величина удерживания соответствует двум «сигмам», то предел удерживания — четырем.
Коридор шириной плюс-минус предел удерживания относительно ЛЗП является районом удерживания (containment region) применительно к боковой координате. Аналогично вводится понятие района удерживания в горизонтальной плоскости (в виде окружности) и по вертикали, образуя, таким образом, сферу.
С помощью предела удерживания (обозначим его величину для удобства через С) вводятся два новых важных понятия — целостность и непрерывность удерживания.
Целостность удерживания (containment integrity) — мера уверенности в оцененном системой местоположении ВС, выраженная как вероятность того, что навигационная система выявит и предупредит о ситуации, при которой общая погрешность системы (TSE) превышает предел удерживания (С),
Необходимо сделать несколько замечаний в отношении терминов, использованных в данном определении. Сам термин «целостность», который уже широко используется применительно не только к навигационным системам, но и к аэронавигационным данным, является не вполне удачным переводом английского термина «integrity». Одно из значений у него действительно «целостность, неразделенность на части», но применительно к данному контексту более адекватными являются другие оттенки его значения, отражающие такие свойства как «честность, справедливость, порядочность» и т. д. То есть «integrity» — это свойство навигационной системы давать правильную, достоверную информацию. И никакого отношения к целостности как неразделенности на части, «неразрушенности» системы оно не имеет.
В приведенном определении под «оцененным» (estimated) системой местоположением ВС понимаются координаты либо непосредственно измеренные датчиками (VOR/DME, GNSS и т. п.), либо полученные путем комплексной обработки информации от нескольких датчиков, прошедшие алгоритмы контроля достоверности и фильтрации. В последнем случае, благодаря избыточности информации, удается не только отсеять недостоверные данные (например, от отказавшего датчика), но также повысить точность определения местоположения и, что особенно важно, оценить степень этой точности, предупредить летный экипаж, если она не соответствует требуемой.
Целостность системы обеспечена, если выполнено одно из следующих условий:
— уклонение ВС меньше предела удерживания (TSE<C);
— при уклонении ВС на величину большую предела удерживания (TSE>C) система выдает об этом предупреждение летному экипажу.
Поскольку используемая системой информация содержит случайные погрешности, выявить отклонение со стопроцентной надежностью невозможно. Поэтому целостность удерживания целесообразно измерять вероятностью этого события, отнесенной к часу полета. Но эта вероятность очень близка к единице, записывать ее с большим количеством девяток (например, Р=0,99999) неудобно, поэтому на практике используют вероятность противоположного события, характеризующего нарушение целостности, то есть 1 — Р.
Таким образом, целостность удерживания характеризуют вероятностью того, что в течение часа полета произойдет уклонение за предел удерживания (TSE>C), а система не выдаст предупреждение летному экипажу о таком уклонении. То есть имеется в виду вероятность того, что произошли одновременно два события: ВС уклонилось, а система этого не выявила. Чем эта вероятность меньше, тем система лучше (целостность выше). RTCA определила, что данная вероятность должна быть не больше 10-5, то есть 1/100000.
Необходимо правильно понимать, что эта навигационная характеристика (целостность удерживания) касается не только самого уклонения ВС за предел удерживания С, но и способности системы выявить это отклонение, если оно произойдет. Иными словами, если ВС летит настолько неточно, что все время уклоняется за предел С, но система каждый раз информирует об этом летный экипаж, то целостность обеспечена. Но при этом, конечно, не будет обеспечена 95-процентная продолжительность полета в границах величины удерживания.
В то же время, гипотетически можно представить себе такую слишком «бдительную» навигационную систему, которая очень часто предупреждает экипаж об уклонении за предел С. Неважно почему — то ли уклонение действительно имеет место, то ли происходит ложное срабатывание этой системы. Сюда же относят случай, когда система вообще не может определить местоположение или из-за ее полного отказа, что обычно легко выявляется летным экипажем, или из-за нахождения ВС вне зоны действия наземных радиомаяков или спутников, о чем, как правило, предупреждает сама система. Чтобы ограничить вероятность такого события вводится еще одна характеристика — непрерывность удерживания.
Непрерывность удерживания (containment continuity) — это способность системы удовлетворять требованиям целостности удерживания без непредусмотренных перерывов (nonscheduled interruptions). 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.
Иными словами, непрерывность удерживания нарушена, если система предупредила об уклонении за предел С (неважно, действительно это уклонение произошло или нет) либо вообще не может определить местоположение.
RTCA установила, что вероятность возникновения такой ситуации за час полета не должна превышать 10-4, то есть 1/10000, — это и есть мера непрерывности удерживания.
Таким образом, совместно Руководство по RNP [1] и MASPS [19] определяют следующие навигационные характеристики для LNAV:
— величину удерживания, нормирующую отклонения ВС от ЛЗП (95% времени полета в пределах этой величины);
— предел удерживания (удвоенная величина удерживания);
— целостность удерживания, ограничивающую вероятность необнаруженного системой уклонения за предел удерживания (не более 10 -5);
— непрерывность удерживания, ограничивающую вероятность выдачи сообщения (правильного или ложного) об уклонении за предел удерживания или функционального отказа системы (не более 10 -4).
Для вертикальной навигации (VNAV) документом [19] впервые вводятся характеристики требуемой точности. Они касаются только этапов горизонтального полета и снижения. Траектории набора высоты в документе пока не рассматриваются, поскольку они слишком различаются для разных типов ВС.
Устанавливается предел отклонения по вертикали VPPL (Vertical Path Performance Limit). Его значение составляет от 150 до 260 футов и зависит от диапазона высот, в котором выполняется полет (чем больше высота, тем больше VPPL), и от того, выполняется горизонтальный полет или снижение. VPPL в некотором смысле аналогичен величине удерживания, применяемой для боковой координаты. Но применительно к вертикальной плоскости этот предел не должен быть нарушен на протяжении не менее 99,7% времени полета. Это значение говорит о том, что при нормальном распределении погрешностей VPPL равен утроенной средней квадра — тическ|й погрешности выдерживания высоты.
Требования целостности и непрерывности удерживания для VNAV не устанавливаются, но вероятность невыявленной системой потери навигационной способности VNAV должна быть не менее 10 -3
Нормируются в RNP RNAV и погрешности продольной навигации (по времени). Погрешность расчета времени пролета пункта не должна превышать 1% оставшегося времени полета до него. Если же система имеет функцию управления временем прилета в пункт (ТОАС — Time of Arrival Control), то в 95% случаев погрешность не должна превышать 30 с.
Вышеизложенные требования к навигационным системам, содержащиеся в [19 ], сражают точку зрения мирового сообщества в лице RTCA на проблему обеспечения точности навигации в условиях RNP RNAV.