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. Маршрути формувались залежно від наявності наземних аеронавігаційних засобів. І, як не дивно, це було не завжди економічно привабливо (наприклад, робота одного радіомаяка VOR коштує десятки тисяч $ за рік).

Проте світ не стояв на місці: 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.

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

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

Радіонавігаційні засоби

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

• VOR (VHF Omnidirectional Range): 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 ще 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. Було розроблено 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 (Instrumental landing system)

Також для точних посадок використовували систему заходу на посадку ILS.

ILS (Instrumental landing system) – це система точної посадки, що забезпечує захід на посадку та посадку 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. Однак ILS має недоліки, серед яких:

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

Більш детально про систему ILS

Аеронавігація сьогодення

RNAV (Area navigation)

RNAV (Area navigation) – 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.

Раніше маршрут польоту мав проходити суто через зони роботи різних радіонавігаційних наземних засобів. При цьому збільшувалась довжина маршруту та підсумкова вартість перевезення.

Маршрути RNAV створюються за відповідних обставин та умови обладнання літаком точними системами навігації. При виконанні польоту з використанням обладнання RNAV не потрібно широкій мережі наземних радіонавігаційних засобів. Застосування RNAV дозволяє ефективніше використовувати повітряний простір.

Бортове обладнання для виконання польотів методом зональної навігації повинно включати FMS/FMGS (разом із СDU), 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.

INS (Inertial Navigation System)

INS (Inertial Navigation System) — 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 (Performance-Based Navigation) і RNP (Required Navigation Performance)

PBN і RNP – дві концепції RNAV, які базуються на використанні сучасних технологій для поліпшення точності і ефективності авіаційних навігаційних операцій.

RNP

RNP (Required Navigation Performance) – 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.

PBN

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

Це означає, що літаки можуть використовувати різні методи навігації залежно 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.

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. Працює на основі GNSS. Для належної роботи необхідні спеціальні Augmentation наземні 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.

RNAV (RNP) APPROACH

Захід на посадку RNAV (RNP) APPROACH дозволяє суттєво якісніше використовувати повітряний простір на етапі зниження та посадки і зменшити мінімальну висоту зниження. Такий захід на посадку особливо потрібний на гірських аеродромах, де навколишній рельєф не дозволяє встановити низькі мінімуми.

Сьогодні заходи RNP успішно застосовуються на багатьох аеродромах

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 позиціювання 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 позиціювання, 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.