ПРОГРАММНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ВОЗДУШНОГО СУДНА В УСЛОВИЯХ ВОЗМОЖНОГО ПЕРЕХОДА К ПЕРСПЕКТИВНЫМ РЕЖИМАМ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЁТОМ

​SOFTWARE CONSTRUCTION OF AIRCRAFT TRAJECTORIES IN CONDITIONS OF POSSIBLE TRANSITION TO ADVANCED FLIGHT CONTROL MODES

Vladislav Vitushkin

Postgraduate student,  Moscow State Technical University of Civil Aviation,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью данной статьи является исследование и разработка программного решения для построения траекторий воздушного судна в условиях возможного перехода к перспективным режимам управления полётом. Проведен анализ существующих методов навигации и предложены рекомендации для выбора оптимальной траектории полета, предложены критерии для построения траектории полёта при переходе к зональной навигации, а также разработано программное решение для реализации данных расчетов, обеспечивающее мониторинг и управление траекторией полёта для повышения безопасности и эффективности воздушного движения.

Исследование охватывает анализ возможных маршрутов полета, а также рассматривает вопросы безопасности и эффективности использования информационных моделей в контексте перехода к зональной навигации. Результаты работы могут быть полезны при разработке и внедрении новых методов навигации, способствующих оптимизации воздушного движения в регионе.

ABSTRACT

The aim of this article is to research and develop a software solution for aircraft trajectory planning under potential transitions to advanced flight management modes. The study includes an analysis of existing navigation methods, recommendations for optimal flight path selection, criteria for trajectory planning under zonal navigation transitions, and the development of a software solution to implement these calculations, enabling flight path monitoring and management to enhance aviation safety and efficiency.

The research covers the analysis of potential flight routes and addresses safety and efficiency considerations using information models in the context of transitioning to zonal navigation. The findings are expected to inform the development and implementation of new navigation methods aimed at optimizing air traffic within the region.

Ключевые слова: зональная навигация; интенсивность воздушного движения; ситуация в полёте воздушного судна; безопасность полётов; искажённая навигационная информация; погрешность при передаче навигационной информации; траектория полёта воздушного судна.

Keywords: area navigation; intensity of air traffic; in-flight situation of the aircraft; flight safety; distorted navigational information; error in the transmission of navigational information; flight trajectory of the aircraft.

Уже к середине 80-х годов прошлого века стало ясно, что для обеспечения современных требований к воздушным перевозкам для многих регионов с повышенной интенсивностью воздушного движения становится недостаточно использовать стандартные трассы, ориентированные только на радиомаяки. Жёсткое структурирование воздушного пространства по эшелонам и коридорам тормозит пропускную способность ВС.

Помимо этого, колоссально возрастает нагрузка диспетчеров, которые уже не справляются с обслуживанием всё возрастающего потока воздушных судов. Любая же ошибка в работе диспетчера может привести к непоправимым последствиям, что продемонстрировала, например, катастрофа над Боденским озером.

На текущий момент, по мнению экспертов, одним из выходов из создавшегося положения может быть переход к зональной навигации – режиму управления воздушным движением, при котором экипаж может выбирать траекторию полёта хотя бы в рамках некоторой зоны управления воздушным движением, хорошо оснащённой наземными средствами обеспечения полётов.

Необходимость перехода обусловлена постоянным увеличением объема воздушного движения как в масштабе мировой авиации, так и в контексте России. Структуризация воздушного пространства через эшелоны и коридоры, хотя и соответствует требованиям Международной организации гражданской авиации (ICAO) по обеспечению безопасности полетов, уже не отвечает современным запросам быстрой перевозки пассажиров и грузов.

ICAO разработала концепцию RNP или, говоря другим языком, требуемых навигационных характеристик (ТНХ). Суть данной концепции заключается в разработке средств, обеспечивающих определение точного местоположения воздушного судна в пределах каждого района воздушного пространства, учитывая его протяжённость, характер рельефа и обеспеченность наземными средствами обеспечения полётов.

RNP устанавливаются [1]:

1) для маршрута;

2) ряда маршрутов;

3) района;

4) объема ВП;

Для каждого региона выбор RNP осуществляется специалистами по воздушному планированию или органами, несущими за это ответственность.

При полётах воздушного судна по маршруту имеется 4 типа RNP, разработанных в зависимости от размера половины полосы, в пределах которой должно оставаться воздушное судно с вероятностью 0,95:  

RNP1 – в 1,85 км;   

RNP4 – в 7,4 км;    

RNP 12,6 – в 23,3 км;

RNP 20 – в 37,0 км.

Число после RNP означает размер половины полосы в милях. 

Исходя из всего вышесказанного, для успешного перехода к режиму зональной навигации необходимо выполнение двух условий:

1) Точная и надёжная работа навигационной аппаратуры. Точное знание своего местоположения – необходимое условие того, чтобы экипаж воздушного судна начал решать задачу о дальнейшем выборе своего маршрута.

2) Точная и надёжная работа связного оборудования. Невозможно выбрать траекторию полёта, сменить высоту полёта или совершить манёвр, не имея информацию о местоположении других судов в регионе.

На сегодняшний день идёт работа над созданием полной системы нормативных данных для зональной навигации, но практически не проработаны вопросы построения трасс для этого режима.

В связи с тем, что сказано выше, а также в результате анализа существующих решений, можно сказать, что разработка таких комплексов программ является актуальной темой.

В ИКАО разработан термин Waypoint (WPT, WP, W/P) [1].  Этот термин необходим того, чтобы осуществлять процедуры, характеризующие маршруты при переходе к режиму зональной навигации. Помимо этого, есть «significant point», при помощи которого происходит описание характеристик местоположения наземного пункта. Данный пункт может использоваться для описания структуры маршрутов ВС в предложенных траекториях полёта. Таким образом, можно сделать заключение об эквивалентности понятий WPT и «significant point».

Следующие термины, характеризующие различные этапы процедуры захода ВС на посадку:

IAWP – точка, являющаяся началом захода ВС на посадку (IAF);

IWP – точка, находящаяся на промежуточном пути захода ВС на посадку (IF);

FAWP – точка, находящаяся на конечном этапе захода ВС на посадку (FAF);

MAWP – точка, находящаяся в начале захода ВС на второй круг (MAPt);

MHWP – точка, находящаяся в конце захода ВС на второй круг, предполагающая зону ожидания с зоной ожидания (MAHF).

В [1] перечислены также следующие типы траекторий:

НМ – полет ВС, производимый по процедуре ожидания, оканчивающейся её принудительной отменой;

НА – полет ВС, производимый по процедуре ожидания, оканчивающейся её отменой в момент достижения требуемой высоты;

HF – полет ВС, производимый по процедуре ожидания, оканчивающейся отменой после одного круга;

RF – полет ВС, производимый по отношению к определённой точке, с предложенным радиусом.

Ниже представлены рисунки 1. и 2. показывающие процедуру построения маршрутов полёта ВС по приборам с учётом отсутствия режима зональной навигации и его наличия [1].

Рисунок 1. Построение маршрута полета ВС по приборам при отсутствии зональной навигации

Рисунок 2. Построение маршрутов полёта ВС с учётом наличия зональной навигации

Для программного построения траектории необходимо учитывать современные методы навигации. В связи с переходом к зональной навигации и потребностью в более точном определении местоположения воздушного судна следует использовать более точные системы местоопределения. Спутниковые радионавигационные системы, по рекомендации ICAO, являются перспективным средством определения местоположения воздушных судов гражданской авиации.

К основным свойствам спутниковых радионавигационных систем можно отнести следующее [2]:

1. высокие точностные характеристики определения координат, скорости и времени воздушных судов;
2. повышение безопасности воздушного движения;
3. точная синхронизация разнесенных в пространстве объектов;

Помимо этого, применение космических средств для создания полей наблюдения и связи воздушного судна дает следующие преимущества [3]:

1. Возможность создания поля наблюдения и связи в заданном регионе путем соответствующего выбора конфигурации орбит и количества навигационных космических аппаратов;
2. Сведение к минимуму влияния условий распространения радиоволн на характеристики каналов наблюдения и связи за счет использования дециметровых и сантиметровых диапазонов волн;
3. Возможность выбора организационной структуры системы управления воздушным движением, наилучшей для выполнения целевых задач;
4. Возможность повышения точности наблюдения практически на любых высотах полета воздушного судна за счет использования дальномерного или разностно-дальномерного метода;
5. Возможность сравнительно лёгкой модернизации и улучшения характеристик каналов наблюдения и связи. Это может быть осуществлено путем установки модернизированного бортового оборудования навигационного космического аппарата при восполнении орбиты системы, а также модернизации наземного оборудования каналов наблюдения и связи, число которого невелико.

Координаты потребителя в системе определяются посредством их расчёта по псевдодальностям до навигационных космических аппаратов. Понятие псевдодальности связано с рассинхронизацией по времени между навигационным космическим аппаратом и потребителем. Рассинхронизация по времени даже в миллиардные доли секунды может привести к ошибке определения местоположения воздушного судна в десятки метров. Псевдодальность , измеренная в беззапросной измерительной станции (БИС), входящей в систему частотно-временного обеспечения, равна [2]:

                                                                  (1)

где - скорость света,  - истинная дальность от беззапросной измерительной станции до навигационного космического аппарата, - сдвиг бортовой шкалы времени относительно единой шкалы времени  системы,  - погрешность измерения в без запросной измерительной станции.

Для успешного программного построения траектории и перехода к зональной навигации необходимо учитывать несколько важных факторов. Прежде всего, требуется надёжная система связи воздушного судна с диспетчером и другими воздушными судами, соответствующая нормам ICAO по обеспечению безопасности полётов.

Также необходимо учитывать возможные погрешности и отказы навигационного и связного оборудования. Несмотря на то, что полный отказ оборудования является редкостью, важно рассматривать допусковые отказы, когда погрешность выходит за допустимые пределы.

Причинами ошибок при определении местоположения воздушного судна с использованием спутниковых радионавигационных систем могут быть:

1. Отказ навигационного космического аппарата. Хотя полный отказ маловероятен, допусковый отказ, при котором навигационное сообщение искажено, может привести к ошибкам.
2. Несанкционированное подавление сигналов навигационного космического аппарата.

Кроме того, при переходе к зональной навигации на выбор траектории полёта влияет не только точность навигационных определений, но и качество передачи этой информации по линиям связи. Помехи искусственного и естественного происхождения могут исказить передаваемую информацию, что в итоге может привести к ошибкам при выборе траектории.

Учитывая все перечисленные факторы для обеспечения безопасности и точности полётов для построения траектории воздушного судна при переходе к зональной навигации предложим следующий критерий:

Таким образом, выбор траектории воздушного судна необходимо проводить в 2 этапа:

1. сразу отбрасывать те варианты, которые не удовлетворяют требованиям по обеспечению безопасности полётов;
2. из оставшихся траекторий воздушного судна выбирать ту, которая требует наименьших временных затрат.

На рисунке представлено предложенное программное решение для построения траектории полёта воздушного судна в условиях перехода к зональной навигации. В графическом модуле отображается само воздушное судно и его траектория, а также учитываются режимы "помех" или "столкновения самолётов". Модуль статистики и информации предназначен для получения данных о состоянии воздушного судна во время полёта. Навигация между самолётами осуществляется с помощью специального меню.

В модуле отображается информация о воздушном судне, включая оставшееся топливо, скорость, курс, высоту, графическую информацию об изменении скорости во время полёта, а также номер воздушного судна. Этот подход обеспечивает комплексный мониторинг и управление, что критически важно для безопасного и точного выполнения полётов в условиях зональной навигации.

Рисунок 3. Графический модуль

В заключении данной статьи можно выделить следующие ключевые моменты:

1. Освещен вопрос оптимизации траекторий полета воздушных судов в условиях зональной навигации;
2. Проведен анализ методов навигации и представлены рекомендации для выбора оптимальной траектории полета;
3. Рассмотрены вопросы безопасности и эффективности использования информационных моделей в контексте перехода к зональной навигации;
4. Разработано программное решение для реализации расчетов траекторий.

Список литературы:

1. Руководство по требуемым навигационным характеристикам (RNP), Издание третье, 2008.
2. Логвин А.И., Соломенцев В.В. Cпутниковые системы навигации и управления воздушным движением. -М.: МГТУ ГА, 2005.
3. Г.В. Анцев, В.А. Сарычев. Высокоточное оружие. – Москва, Радиотехника, 2017.
4. Богатюк А.С., Витушкин В.В., Затучный Д.А. Алгоритмы выявления различных навигационных погрешностей во время полета воздушного судна на основе комплексного использования информации // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". – 2018. – Т. 1. – С. 287-290.