Зональная навигация с установленными типами RNP

1.9.1. Концепция удерживания

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.