Як літаки знаходять дорогу: в минулому та сьогодні

Зміст

• Як було в минулому
• Dead reckoning або числення координат
• Радіонавігаційні засоби
• ILS (Instrumental landing system)
• Аеронавігація сьогодення
• RNAV (Area navigation)
• INS (Inertial Navigation System)
• PBN, RNP, B-RNAV, P-RNAV
• Координати та GPS
• GBAS Landing System (GLS)
• RNAV (RNP) APPROACH
• Майбутнє аеронавігації
• Отож

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 літакам літати по будь-якому бажаному маршруту, а не тільки від одного наземного радіомаяка до іншого.

Це досягається завдяки використанню бортових комп’ютерів та навігаційних систем, які можуть визначати позицію літака за допомогою різних джерел даних (GPS, DME/DME, VOR/DME тощо). Таким чином, RNAV підвищує ефективність польотів, скорочує час та витрати на паливо.

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, RNP, B-RNAV, P-RNAV

З розвитком авіації та збільшенням повітряного трафіку виникла потреба в оптимізації маршрутів і покращенні навігаційних систем. Одним із ключових кроків у цьому напрямку стало впровадження концепції PBN (Performance Based Navigation) — навігації, заснованої на характеристиках.

Історичний контекст: RNP, B-RNAV, P-RNAV

На початку 1980-х років ICAO ввела поняття RNP (Required Navigation Performance), що означає “вимоги до навігаційних характеристик”. Ця концепція зосереджувалася на точності бортового та наземного обладнання, а також на моніторингу навігаційних характеристик під час польоту. Наприклад, специфікація RNP-1 вимагала, щоб літак з ймовірністю 95% залишався в межах ±1 морської милі від запланованого маршруту.

Багато країн розробили власні стандарти, подібні до RNP, але без обов’язкового моніторингу. У Європі були впроваджені B-RNAV (Basic Area Navigation) з точністю 5 морських миль і P-RNAV (Precision Area Navigation) з точністю 1 морська миля. Ці стандарти дозволили оптимізувати повітряний простір і підвищити ефективність польотів.

Концепція PBN

PBN об’єднала і систематизувала всі попередні вимоги до навігації, створивши більш гнучкий підхід. Вона висуває вимоги до точності, цілісності, експлуатаційної готовності, безперервності та функціональних можливостей навігаційних систем, не прив’язуючись до конкретного обладнання. Це означає, що необхідна точність може бути досягнута за допомогою різних засобів, таких як DME/DME або GNSS.

Специфікації PBN поділяються на дві категорії: RNAV і RNP. Головна відмінність полягає в тому, що для RNP обов’язковим є моніторинг навігаційних характеристик і сповіщення екіпажу у випадку невідповідності вимогам.

Застосування PBN сьогодні

Сьогодні PBN використовується на всіх етапах польоту — від зльоту до посадки. Літаки сертифікуються на відповідність певним специфікаціям PBN залежно від їх обладнання та навігаційних можливостей. Екіпажі проходять відповідну підготовку для роботи з цими системами.

Впровадження PBN дозволило:

• Оптимізувати повітряний простір: зменшити відстань між маршрутами і підвищити пропускну спроможність.
• Підвищити ефективність: скоротити час польоту і витрати палива завдяки більш прямим маршрутам.
• Покращити безпеку: забезпечити точнішу навігацію і зменшити ризик помилок.

Заходи на посадку RNP

Особливої уваги заслуговують заходи на посадку RNP (Required Navigation Performance). Вони дозволяють суттєво зменшити зону врахування перешкод і мінімальну висоту зниження. Це особливо важливо для гірських аеродромів або аеропортів зі складним рельєфом, де традиційні системи, такі як ILS, не можуть забезпечити необхідних мінімумів.

Заходи RNP AR (Authorization Required) вимагають спеціального дозволу авіаційних влад, оскільки вони передбачають ще вищі вимоги до навігаційних систем і підготовки екіпажу.

Перехід до концепції PBN став значним кроком у розвитку аеронавігації. Завдяки впровадженню сучасних навігаційних специфікацій, авіація стала ще ефективнішою та безпечнішою. Системи PBN дозволяють оптимально використовувати повітряний простір, що є критично важливим в умовах зростаючого обсягу повітряного трафіку.

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.