Як літаки знаходять дорогу: в минулому та сьогодні

Згідно з інформацією, наданої сервісом Flightradar24, в небі постійно знаходяться тисячі літаків, обладнаних сучасними системами ADS-B, крім них, існує ще багато інших літаків, які не відстежуються. Проте буквально 50 років тому ситуація була значно іншою: літаків було менше, про ADS ніхто узагалі не знав, а система GPS існувала лише у вигляді секретного проєкту Пентагону.

Спочатку літали лише візуально, використовували зірки та наземні орієнтири як засіб навігації. Згодом почали з’являтись нові радіонавігаційні засоби. Серед них були VOR/DME, DME, NDB, TACAN та система ILS.

При появі радіонавігаційних засобів маршрути формувались в залежності від наявності певних аеронавігаційних засобів на землі. І, як не дивно, були не завжди економічно привабливими.

Проте світ не стояв на місці та з’являлись нові системи, обладнання ставало точнішим, автономнішим і надійнішим. Запровадження супутникової навігації нового покоління, розвиток автономних систем та вдосконалення інтегрованих систем навігації – це лише кілька напрямків, які перетворять аеронавігацію в ще більш ефективну та безпечну галузь.

Далі розгляну особливості аеронавігації в минулому та сьогодні, а також що нас чекає в недалекому майбутньому.

Як було в минулому

Dead reckoning або числення координат

Як вже згадав, в минулому літали візуально. В цілому, візуальні польоти не сильно відрізнялись від сьогоднішніх: для навігації використовувалися морські маяки, дороги, річки, великі населені пункти та інші орієнтири. Насправді це не найгірший засіб навігації, якщо летіти удень та окрім керування літаком займатись навігацією.

Льотчики тих часів покладалися на свої компаси, на карти та метод числення координат (числення шляху) (визначення положення за допомогою даних про напрямок і швидкість). На якість розрахунків впливало чимало факторів, тому вони не завжди були точними.

Наприклад, звичайний боковий вітер, якого не уникнути в більшості польотів, може значно впливати на напрямок руху літака та створювати знесення (різниця між справжнім курсом літака та його траєкторією), яке необхідно було правильно корегувати.

Сьогодні числення шляху залишається популярним методом навігації, особливо при підготовці до VFR польотів, і часто використовується в авіаційних школах для відшліфовування практичних умінь.

Радіонавігаційні засоби

Ще у 20-х роках минулого століття в авіації почали використовувати радіомаяки, серед яких:

• VOR (VHF Omnidirectional Range) — це наземна радіонавігаційна система, яка надає інформацію про радіал, на якому знаходиться літак до станції. Він був винайдений у 1940-х роках.
• NDB (ненаправлений маяк) — радіомаяк, що передає сигнали в усіх напрямках. Його використовували для визначення напряму до станції та винайшли на початку 1900-х років.
• DME (Distance Measuring Equipment) — це система, яка надає точну інформацію про відстань до маяка і була представлена в 1950-х роках.
• TACAN (Tactical Air Navigation) — військова система, що поєднує в собі функції VOR і DME. Він був розроблений у 1960-х роках.
• LORAN (Long Range Navigation) — це радіонавігаційна система, яка використовує різницю в часі між декількома синхронізованими передавачами для визначення положення літака.

Детальніше про радіомаяки та їх роль в авіації

ILS

Також для точних посадок використовували систему заходу на посадку ILS.

ILS – це система точної посадки, що забезпечує захід на посадку та посадки в умовах недостатньої видимості. Включає компоненти локалізатора та глісади. Була розроблена в 1930-1940-х роках.

Система інструментального заходу на посадку активно використовувалась ще з моменту раннього розвитку.

Проте ILS має недоліки. Основні проблеми системи ILS добре зрозумілі:

• Захисні зони великої площі в аеропортах
• Обмежені можливості проєктування заходу на посадку нестандартних траєкторій
• Хибна гліссада
• Висока вартість наземного обладнання та залежність від нього

Більш детально про систему ILS

Аеронавігація сьогодення

З часом густина трафіку в небі росла, світ не стояв на місці, з’явилась потреба в оптимізації польотів.

RNAV

RNAV (Зональна навігація) – новий концепт в аеронавігації, що з’явився у 60-х роках 20 століття і поступово розвивався. Перш за все RNAV — це метод навігації, що дозволяє літати по будь-якій бажаній траєкторії польоту при застосуванні як бортових, так і наземних засобів.

Маршрути RNAV створюються за відповідних обставин та умови обладнання літаком системами зональної навігації. Бортове обладнання для виконання польотів методом зональної навігації повинно включати FMS, що забезпечує опрацювання даних, які надходять від навігаційних пристроїв/систем, до яких можуть бути віднесені: VOR/DME, DME/DME, INS/IRS, GPS, INS або їх комбінацій.

Можливі такі види застосування RNAV:

• Політ за фіксованим, довільним маршрутом RNAV;
• Польоти у районі аеродрому (процедури SID, STAR, APPROACH)
• Польоти за визначеними маршрутами

INS

INS (інерціальна навігаційна система): INS — це навігаційна система, яка обчислює положення літака на основі заданих умов і наступних вимірювань прискорень. INS була розроблена в середині 20 століття і широко використовувалася у військовій і комерційній авіації.

INS використовує інерційну систему відліку як основну систему вимірювань. Інерційна система відліку дозволяє визначати координати, швидкість, прискорення та інші важливі параметри руху літальних апаратів.

Інерційна система має кілька переваг перед іншими навігаційними системами, такими як універсальність використання, здатність визначати основні параметри руху, самостійність і захищеність від перешкод.

В результаті точність навігації дала можливість пілотам безпечно літати по складних траєкторіях.

PBN та RNP

PBN (Performance-Based Navigation) і RNP (Required Navigation Performance) – це дві концепції навігації, які базуються на використанні сучасних технологій для поліпшення точності і ефективності авіаційних навігаційних операцій.

PBN

PBN (Performance-Based Navigation) – це загальна концепція, яка визначає, що навігація повинна ґрунтуватися на вимогах до продуктивності.

Це означає, що літаки можуть використовувати різні методи навігації в залежності від вимог до продуктивності, встановлених відповідними регуляторними органами. Наприклад, GNSS, INS або VOR/DME можуть бути використані для навігації залежно від вимог до точності, надійності та інших факторів, встановлених регуляторними органами.

PBN надає більш гнучкий підхід до навігації, дозволяючи літакам ефективніше використовувати повітряний простір і оптимізувати маршрути за використання передових технологій навігації.

Це сприяє покращенню безпеки в повітряному просторі.

RNP

RNP – це конкретна специфікація в рамках концепції PBN. Вона визначає точність, з якою повинен утримуватися літак на своєму маршруті.

RNP вимірюється у навігаційних морських милях (NM) і вказує, яка міра точності повинна бути досягнута при навігації. Наприклад, RNP 0.3 означає, що літак повинен утримуватися відстані не більше 0.3 NM від свого заданого маршруту.

Основна відмінність між PBN і RNP полягає в тому, що PBN є загальною концепцією, яка описує вимоги до продуктивності, тоді як RNP є конкретною специфікацією, що визначає точність навігації на основі вимог PBN. RNP є складовою частиною PBN і допомагає забезпечити безпечну та ефективну навігацію літаків.

Координати та GPS

З появою системи GPS з’явилось нове джерело даних для забезпечення високої точності позиціювання літака. Це дозволяє точніше визначати маршрути, зменшувати відстань між пунктами маршруту та оптимізувати навігаційні операції.

GPS є стабільною і надійною системою навігації, що дозволяє літакам отримувати точні дані про своє місцеперебування навіть в умовах поганої видимості, там, де нема інших аеронавігаційних засобів чи вночі.

Використання GPS у системі PBN дозволяє літакам виконувати прямолінійні маршрути та оптимізувати навігаційні шляхи. Це допомагає зменшити відстань польоту, скоротити час в дорозі та знизити споживання палива, що є важливим фактором для підвищення ефективності авіаційних операцій.

GBAS Landing System (GLS)

GLS або GBAS (Ground-Based Augmentation System Landing System) – це система посадки, яка використовує земні станції для покращення точності та безпеки посадки літаків.

Точна система заходу на посадку, яка працює на основі GNSS. Для цього необхідні спеціальні Augmentation системи, що коригують точність до сантиметрів.

GLS має на меті забезпечити можливості посадки, еквівалентні системам ILS CAT III. Це, нарешті, забезпечить економічно ефективну систему посадки для всепогодних операцій.

Таким чином, GLS система посадки має переваги у високій точності, незалежності від погодних умов, гнучкості, зменшенні витрат на обслуговування та можливості інтеграції з іншими системами навігації.

Майбутнє аеронавігації

Майбутнє аеронавігації передбачає впровадження ряду інноваційних технологій та концепцій, спрямованих на покращення безпеки, ефективності та стійкості авіаційних операцій.

• Штучний інтелект та алгоритми оптимізації будуть використовуватись для автоматичного планування маршрутів та управління повітряним простором.
• Розвиток систем позиціонування на основі супутників, таких як GPS, буде продовжуватись, забезпечуючи вищу точність і доступність навігації в будь-яких погодних умовах.
• Зникнення більшості радіостанції, польоти по RNP.
• Впровадження систем посадки з використанням супутникового позиціонування, таких як GLS (Ground-Based Augmentation System Landing System), дозволить здійснювати посадку з високою точністю навіть в умовах низької видимості

Отож

До сьогодні літаки прекрасно літали, проте на сьогодні точність визначення позиції та навігації настільки висока, що забезпечується можливість виконання польоту, заходів на посадку в умовах низької видимості та гірської місцевості.