Взлёт и посадка

Проблемы обеспечения безопасности взлёта и посадки самолётов в сложных метеорологических условиях

Взлёт и посадкаНа основе комплексного применения наземных, бортовых и спутниковых радиотехнических средств разработаны методы высокоточного определения параметров движения на борту летательного аппарата (ЛА), приведены расчёты экспериментальной оценки точностных характеристик предлагаемых методов

(УДК 629.7)
Доктор технических наук
Гладков Игорь Александрович

В последнее время проблема безопасности полётов и обеспечения точными и надёжными навигационными данными стала особенно актуальной. Высокий уровень аварийности в авиации Российской Федерации является одним из основных факторов, влияющих на готовность авиации к выполнению своих задач и составляющих угрозу обеспечения национальной безопасности государства. Относительный показатель (число авиационных происшествий на 100 тыс. часов налета), характеризующий уровень аварийности, в течение 30 лет находится на уровне 4-5 авиационных происшествий на 100 тыс. часов налета, в то время как в ведущих авиационных державах этот показатель в 2 и более раза ниже. В среднесрочной перспективе авиационные происшествия остаются одним из существенных вызовов стабильному развитию и функционированию авиации.

В настоящее время материальный ущерб, наносимый Российской Федерации авиационными происшествиями в государственной авиации, составляет более 2 млрд. рублей в год.  Следует иметь в виду, что закупки новой дорогостоящей авиационной техники, и ее освоение авиационными структурами увеличат ущерб от одного авиационного происшествия в 4-6 раз, а увеличение общего объёма авиаперевозок приведет к росту количества авиационных происшествий до 60-80 в год и соответствующему увеличению числа потерянных человеческих жизней. В этих условиях при сохранении существующей системы обеспечения безопасности полетов среднегодовой ущерб от авиационных происшествий возрастет и в ближайшее время может составить 24-30 млрд. рублей в год. С учетом реально сложившегося положения дел в области безопасности полетов и ожидаемой динамики роста ущерба, наносимого Российской Федерации, авиационные происшествия представляют существенную угрозу для безопасности граждан, экономики страны и, как следствие, для социально-экономического развития Российской Федерации и ее национальной безопасности.

Авиационные происшествия, как правило, не бывают следствием какого-либо одного опасного фактора (одной причины). Обычно они происходят в результате взаимосвязи нескольких опасных факторов. Как показывает практика, в большинстве случаев непосредственными причинами авиационного происшествия становятся действия  авиационного персонала или состояние воздушного судна либо средств обеспечения полетов.

В авиации можно выделить три основные группы лиц, участвующих в производстве полетов. Первая – экипаж воздушного судна, где командир экипажа отвечает за успешное выполнение поставленной задачи. Именно его решение, например, о том, что в сложных погодных условиях он уходит на запасной аэродром, является основным. Он же принимает решение о включении необходимых средств РТО для обеспечения посадки. Вторая группа – диспетчерская служба центров ЕС ОрВД, основная задача которой – контроль за правильным использованием воздушного пространства. Третья группа – диспетчерская служба аэродрома, которая отвечает за контроль нахождения на лётном поле различных объектов и функционирование наземного оборудования РТО полетов. Действующая сейчас федеральная целевая программа «Обеспечение безопасности полётов воздушных судов государственной авиации Российской Федерации в 2011-2015 годах» направлена на создание современной инфраструктуры, материально-технической базы и методологических основ функционирования системы управления безопасностью полётов. Все мероприятия программы направлены на совершенствование наземных систем и средств и совершенно отсутствуют разделы по обеспечению главного действующего лица – экипажа воздушного судна – высокоточными, надёжными и достоверными навигационными данными, обеспечивающими безопасность взлёта и посадки в самых сложных метеоусловиях (вплоть до нулевой видимости).

Наиболее критичными являются результаты решения задач навигации и безопасности полетов в районе аэропортов, где наблюдается высокая концентрация воздушных судов и, кроме того, на диспетчерскую службу возлагается решение одной из важнейших задач – организация взлета и посадки.

В настоящее время информационной основой решения задач организации полетов в районе аэропортов являются курсоглиссадные системы (КГС) различных классов. Стандартная КГС, которая классифицируется как КГС I категории, позволяет выполнять заходы на посадку при облачности не ниже 60 м над полосой и видимости 700 м (2400 фт), либо при видимости 550 м (1800 фт) если есть освещение осевой линии и зоны посадки. Более сложные системы II и III категории позволяют выполнять посадку при почти нулевой видимости, но требуют специальной дополнительной сертификации самолёта и пилота. Заходы по II категории позволяют выполнять посадку при высоте принятия решения 30 м (100 фт) и видимости 400 м (1200 фт). При посадке по III категории самолёт приземляется с использованием системы автоматической посадки, высота принятия решения отсутствует, а видимость должна быть не ниже 250 м (700 фт) по категории IIIa, либо от 50-250 м по категории IIIb. Каждая КГС, сертифицированная по III категории, имеет свои собственные установленные высоты принятия решения и минимумы. Некоторые КГС имеют сертификацию для посадок в условиях нулевой видимости (категория IIIc, так же пишут Cat III C). Системы II и III категорий должны иметь освещение осевой линии, зоны посадки и другие вспомогательные средства.

Директорные системы в самолётах (системы, определяющие местоположение относительно глиссады и показывающие его на приборах) чувствительны к отражениям сигналов КГС, возникающим из-за разных объектов в её области действия, например, домам, ангарам, а вблизи к радиомаякам самолёты и автомобили могут создавать серьёзные искажения сигналов. Земля под уклоном, холмы и горы и другие неровности местности также могут отражать сигнал и вызывать отклонения показаний приборов. Это ограничивает область надёжной работы КГС. Кроме того для нормальной работы КГС в аэропортах приходится вводить дополнительные ограничения передвижения самолётов на земле, чтобы они также не затеняли и не отражали сигналы, а именно увеличивать минимальное расстояние между самолётом на земле и ВПП, закрывать некоторые рулёжные дорожки или увеличивать интервал между посадками, чтобы севший самолёт убыл из зоны посадки, и следующий садящийся самолёт не испытывал радиопомех. Это сильно снижает пропускную способность аэропортов, когда им приходится работать в сложных метеоусловиях по II и III категориям.

Решение задач навигации с использованием СНС уменьшает приведенные выше недостатки, однако сами по себе средства СНС, без вспомогательных средств, не достаточно точны́ даже в сравнении с КГС I категории. В частности Wide Area Augmentation System (WAAS), её аналог Европейская служба геостационарного навигационного покрытия (EGNOS)  могут предоставить (с использованием GPS) навигацию соответствующую I категории, кроме того, ввиду наличия сбоев существующих систем спутниковой навигации, КГС очевидно останутся в использовании в качестве резервных на случай выхода из строя или сбоев наземной аппаратуры потребителей. Разрабатываемые в рамках ОКР, выполняемых в интересах МО РФ средства траекторных измерений, обеспечивающие унифицированный прием сигналов ГЛОНАСС и GPS также не могу применяться в качестве КГС даже I категории.

Таким образом, в целях исключения ограничений в использовании СНС в качестве унифицированной системы радионавигации в авиации требуется дальнейшая модернизация ее средств для повышения точности и надёжности навигационных определений.

Предлагается проект всепогодной системы обеспечения  взлёта и посадки самолётов (СВПС), обеспечивающей повышение точности, надёжности и достоверности навигационных определений при неблагоприятных метеоусловиях  (категория IIIс ИКАО)

Схема

Сущность СВПС заключается в том, что навигационные определения по КНС «ГЛОНАСС»/GPS дополняются бортовой дальномерно-угломерной системой, которая в условиях  сплошной облачности на расстоянии 1км определяет точку посадки с точностью 1м. При этом система посадки опре-деляет с расстояния 100 км отклонение ЛА от оси ВПП с точностью 3,6 угл. мин.

При разработке СВПС основная нагрузка ложится не на разработку и модернизацию средств измерений, а на разработку и совершенствование  программно-математического обеспечения (ПМО).

Выполняемые функции

  1. Определение с расстояния 200 км параметров движения в местной топоцентрической системе координат на борту ЛА.
  2. Прогнозирование движения ЛА на заданный промежуток времени.
  3. Определение направления на точку приземления в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
  4. Расчёт траектории посадки (глиссады) с точки захода на посадку.
  5. Расчёт отклонения параметров движения от глиссады.
  6. Контроль параметров движения по 3D картам местности.

Точностные характеристики

СВПС обеспечивает определение координат и вектора скорости движения (x, y, z, Vx, Vy, Vz) на борту ЛА путём измерения шести параметров:
– наклонной дальности  R  в пределах  0.5 ÷ 200 км;
– радиальной скорости  (fD =  ± 210 Кгц )  в пределах  – 2  ÷   + 2 км/с;
– разностей расстояний   прихода волны  q13     =   R 1    –   R 3 ,    q24     =   R 2    –   R 4  (в пределах   – 1000  ÷   + 1000 м) от двух пар антенн, ( 1,3  и 2,4 ) , расположенных вдоль осей  X  и  Z местной системы координат,  пропорциональных направляющим косинусам   cos Ө x   и   cos Ө z
– скорости изменения разностей расстояний vzl03  в пределах   – 140  ÷   + 140 м/с     ( ± 3.5 Кгц ) от двух пар антенн, ( 1,3  и 2,4 ) , расположенных вдоль осей  X  и   Z местной системы координат,  пропорциональных скорости изменения направляющих косинусов  vzl04  и  vzl05 .

Погрешности  измерений  (δ  =  Δ  +  2.7σ)
vzl06

Состав СВПС

 1. Наземная аппаратура – СВПС-Н
— навигационная аппаратура потребителя (НАП);
— высокостабильный генератор частоты – порядка 10-12    ÷    10 -13;
— формирователь эталонных частот;
— система прецизионного фазирования;
— передающее устройство;
— устройство отображения.

Опорный высокостабильный генератор является источником для формирования сетки когерентных частот, необходимых для работы бортовых измерительных каналов. Формирователь эталонных частот является генератором масштабных частот для измерения дальности, радиальной скорости, углов и угловых скоростей. Передающее устройство включает в себя модулятор несущей частоты и выходной каскад для передачи модулированной несущей в антенны. Система прецизионного фазирования совместно с юстировочной антенной служит для калибровки всех измерительных каналов. Навигационная аппаратура (НАП) предназначена для контроля целостности навигационного поля и выработки дифференциальных поправок по текущему созвездию навигационных спутников для района аэропорта.

Устройство отображения служит для выполнения следующих функций:
– контроль совместно с НАП навигационного поля и отображение результатов контроля;
– отображение результатов калибровки измерительных каналов;
– контроль параметров излучаемых сигналов;
– отображение данных от следящего пеленгатора (радиолокатора).
Следящий пеленгатор (радиолокатор) не входит в состав СВПС-Н, а является составной частью аэродромного оборудования.

2. Самолётная аппаратура – СВПС-Б

— навигационная аппаратура потребителя (НАП);
— высокостабильный генератор частоты – порядка 10-11
— многоканальное приёмное устройство;
— устройство выделения и обработки сигналов;
— измерительные каналы:
а) канал измерения дальности;
б) канал измерения радиальной скорости;
в) канал измерения азимута и угла места;
г) канал измерения угловых скоростей;
д) канал измерения углового отклонения от оси ВПП.
— устройство отображения.

Многоканальное приёмное устройство и устройство выделения сигналов осуществляют приём сигналов от  передающих антенн СВПС-Н, измерение временных задержек по фазам несущей и модулирующих частот. Опорный генератор создаёт бортовую сетку частот, необходимых для работы измерительных каналов. Измерительные каналы производят обработку принятых сигналов и выдают на устройство отображения параметры движения летательного аппарата (ЛА) в требуемом формате.

Бортовая навигационная аппаратура потребителя выполняет следующие функции:
– выделение и учёт дифференциальных поправок;
– определение параметров движения ЛА вне зоны действия наземной аппаратуры  СВПС-Н;
– раскрытие неоднозначности в дальномерных и угломерных измерительных каналах.

Устройство отображения является завершающим этапом работы всего бортового навигационного комплекса. По результатам его работы формируются данные о текущем навигационном состоянии ЛА, а также команды, сигналы, вплоть до сигнала «тревога», для принятия необходимых мер экипажем воздушного судна и включает в себя следующие подсистемы:
– комплекс контроля входных сигналов, который фиксирует количество и номера НКА, качество принимаемых сигналов, а также результаты контроля целостности навигационного поля;
– комплекс отображения текущего навигационного состояния, который представляет абсолютные координаты воздушного судна с оценкой точности каждого параметра в выбранной системе координат;
– комплекс  отображения  обстановки в заданном районе, который на основе цифровых 3D-карт местности указывает положение ЛА и наиболее характерные точки местности;
– комплекс прогнозирования движения ЛА, который производит прогноз движения ЛА на заданный промежуток времени с оценкой точности прогноза и наличия на пути движения опасных объектов,  визуализации прогноза на 3D-картах местности с оценкой отклонения от глиссады и точки посадки на ВПП;
– комплекс регистрации, обновления и хранения данных. Назначение комплекса – хранение и обновление оперативных данных, а также создание архива о текущей навигационной обстановке за определённый промежуток времени.

Имеющиеся разработки (аналоги) в стране и за рубежом.

Аналогов фазометрическому комплексу СВПС в стране и за рубежом нет. Точность определения параметров движения на борту летательного аппарата с использованием СВПС превосходит отечественные и зарубежные разработки.

Основные преимущества системы взлёта и посадки

  1. Принцип работы системы обеспечивает наличие трёх параллельных дублирующих каналов:
    – бортовая навигационная аппаратура потребителя, которая выводит ЛА в точку захода на посадку с точностью 20 – 30 м;
    – бортовой канал измерения углового отклонения от оси ВПП, который в условиях  сплошной облачности на расстоянии 1км определяет точку посадки с точностью 1м. При этом система посадки в условиях сплошной облачности определяет с расстояния 10 км отклонение ЛА от оси ВПП с точностью 3,6 угл. мин.
    – бортовая  дальномерно-угломерная система, которая с расстояния 4 км и до точки приземления с высокой надёжностью определяет параметры движения ЛА с точностью  –  σ x, y, z  = 0.2 ÷ 1 м    и    σ  V x,V y,V z  = 0,05 ÷ 0,1 м/c  
  2. Благодаря высокой точности определения параметров движения в реальном масштабе времени, при прогнозе траектории снижения оценивается не только расстояние до земли, но также наличие на пути и скорость сближения с различными объектами, влияющими на безопасность полёта: дома, башни, линии электропередачи, зелёные насаждения, возвышенности, горы.
  3. Один комплект системы обеспечивает взлёт и посадку самолётов на всех ВПП аэродрома, независимо от их количества и расположения.
  4. Система обеспечивает безопасный заход на посадку не только по прямой относительно ВПП, но также по оптимальной траектории, обеспечивающей безопасность в условиях ограниченного манёвра, например, вблизи гор, а также вблизи промышленной и гражданской застройки и прилегающих лесных массивов.
  5. Количество ЛА, одновременно работающих с системой обеспечения взлёта и посадки, не ограничено.
  6. Безопасность взлёта и посадки обеспечивается в самых неблагоприятных метеоусловиях, вплоть до нулевой видимости  (категория IIIс ИКАО).

Результаты расчётов по оценке точности определения параметров движения  в местной топоцентрической системе координат  σ x, y, z , σ  V x,V y,V z  при полёте на  высотах 0.5 км, 1 км и 10 км  приведены в Таблице 1.


Таблица 1.

Среднеквадратическая ошибка определения параметров движения
при пролёте ЛА на высоте Н = 0.5 км

vzltab1

Среднеквадратическая ошибка определения параметров движения
при пролёте ЛА на высоте Н = 1.0 км

vzltab2

Среднеквадратическая ошибка определения параметров движения
при пролёте ЛА на высоте Н = 10 км

vzltab3


ВЫВОДЫ

Предлагаемая система обеспечения взлёта и посадки самолётов (СВПС) предоставляет возможность решения следующих задач:

  • обеспечение взлёта, полёта по маршруту, вывода воздушных судов в заданный район и на аэродром посадки, предпосадочное маневрирование и посадку воздушных судов в простых и сложных метеоусловиях, днём и ночью;
  • обеспечение экипажа непрерывной и высокоточной информацией о местоположении воздушного судна;
  • обеспечение ГРП информацией о воздушной обстановке в районе аэродрома и дополнительной полётной информацией, поступающей от воздушных судов;
  • индивидуальное опознавание воздушных судов и обеспечение приёма сигналов от воздушных судов, терпящих бедствие, определение их местоположения и информирование ГРП;
  • обеспечение управления движением воздушных судов и спецавтотранспорта  по лётному полю аэродрома.

Литература

  1. Гладков И.А., Кукушкин С.С., Чаплинский В.С. Методы и информационные технологии контроля состояния динамических систем. М.: СИП РИА, 2008г.
  2. Гладков И.А., Принципы измерения дальности в беззапросном режиме. //Двойные технологии  №3, 2008г.
  3. Гладков И.А., Кукушкин С.С., Шемигон Н.Н. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами. Патент на изобретение № 2469349, 2012г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>