2 Авионика гражданской авиации
В настоящее время гражданская авионика развивается в рамках проекта CNS/ATM, реализуемого под эгидой Международного комитета организации авиационных сообщений (ИКАО). Он был основан в 1944 г. со штаб-квартирой в Монреале. В его задачи входят, в частности, разработка международных стандартов в области гражданской авиации, повышение безопасности полетов, обобщение опыта подготовки кадров.
Название CNS/ATM представляет собой аббревиатуру из первых букв английских слов, которые выражают суть концепции гражданской авионики на современном этапе. Одна его половина расшифровывается как Сommunications, Navigation, Surveillance, что в переводе означает «связь, навигация, наблюдение»; другая – это Air Traffic Management, т.е. «организация воздушного движения». Иначе говоря, авионика, ведя наблюдение, устанавливая и поддерживая связь, осуществляя навигацию, способствует организации воздушного движения.
Указанный проект является самым крупным и дорогим в истории гражданской авиации, он уже сейчас дал мощнейший импульс развитию новых технологий. В итоге разнообразные суда будут двигаться в воздушном пространстве свободно, как это сейчас происходит, например, на автомобильном транспорте, где решения принимают сами водители на основе анализа информации о других участниках движения.
Своим возникновением концепция CNS/ATM во многом обязана появлению спутниковых систем навигации и связи. Космические аппараты вместе с наземными средствами составят исчерпывающую систему связи и навигации. Авионика, воплощающая в себе идеи концепции CNS/ATM, предоставит практически неограниченные возможности летать по оптимальным маршрутам, экономить топливо, увеличивать пропускную способность воздушного пространства и обеспечивать высокую безопасность полетов.
Как уже отмечалось, система CNS/ATM предполагает обязательное сочетание трех компонентов: связи, навигации и наблюдения. Архитектура первого компонента должна строиться так, чтобы связью были обеспечены различные группы людей, так или иначе связанных с полетом воздушного судна. По каналам связи должны проходить информация для ОВД, осуществляться оперативный (пилот-диспетчер) и административный (диспетчер-диспетчер) контроль полета. Кроме того, надо позволить пассажирам пользоваться этими каналами для телефонных переговоров с абонентами на земле или с пассажирами других самолетов.
Достойным примером преимуществ подобной системы связи стало поведение пассажиров одного из самолетов, захваченных террористами 11 сентября 2001 г. в США. По мобильным телефонам они получили информацию о произошедшем с башнями-близнецами. Осознав, какая участь их ожидает, и поняв, что терять им нечего, люди бросились на террористов и разоружили их. Таким образом был предотвращен еще один теракт.
Авиационной связи присущ ряд особенностей, которые мешают ей работать эффективно и которые нужно учитывать при проектировании соответствующих устройств:
- источники сигналов постоянно перемещаются в пространстве, приводя к появлению доплеровского смещения частоты (несущая частота сигнала у приближающегося или удаляющегося самолета оказывается выше или ниже, чем номинальная). Хотя даже у самых скоростных летательных аппаратов уход частоты невелик, бортовая аппаратура имеет такую точность, что доплеровское смещение мешает стабильной связи;
- бортовые передатчики обладают невысокой мощностью;
- антенно-фидерные устройства воздушных судов имеют низкую эффективность в связи с их ограниченными размерами;
- условия на борту воздушного судна (вибрация, перепады давления и температур) обуславливают жесткие условия эксплуатации средств связи;
- появляются помехи в виде отраженных от поверхности Земли радиоволн с дополнительным доплеровским смещением частоты.
Существующие системы авиационной связи, в том числе цифровой (для передачи данных, дополняющих речевые сообщения пилотов), можно постепенно наращивать, добавляя новые каналы по мере возникновения потребности в них.
При организации подобной сети решающую роль будут играть космические спутники связи. Сейчас эту сеть все чаще называют авиационным или «небесным» Интернетом. Поскольку Интернет представляет собой самое яркое и последовательное воплощение сетевых технологий, то система связи в рамках CNS/ATM должна базироваться на тех же принципах. Недаром и самолет уже считается «информационным узлом в небе».
Второй функцией авионики, реализуемой в рамках концепции CNS/АТМ, является навигация. Помимо выполнения традиционных для навигационных систем функций авионика настоящего и будущего поможет уменьшить размеры эшелонов и тем самым значительно повысить пропускную способность воздушного пространства. Как в случае с авиационной связью, наиболее универсальными и перспективны ми оказываются спутниковые системы навигации.
В настоящее время в мире действуют Глобальная система определения местонахождения GPS (Global Position System), официально принадлежащая правительству США, но используемая в международном масштабе, и отечественная Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. В дальнейшем, возможно, будет сформирована Глобальная спутниковая навигационная система GNSS (Global Navigation Satellite System). Она позволит с высокой точностью отслеживать маршрут любого летательного аппарата во всем воздушном пространстве планеты, что недоступно пока действующим навигационным средствам.
Кроме того, сочетая функции GNSS с новыми технологиями в области связи, удастся преодолеть ряд других проблем, связанных с ограниченными возможностями пилотов и наземных диспетчеров. Аппаратура на борту самолета будет с большой скоростью получать с земли информацию в цифровом виде и тут же направлять ее в компьютер. Отпадет необходимость в переговорах между бортом и землей и, следовательно, рухнут языковые барьеры - стандартные сообщения можно без труда перевести в вид, понятный человеку независимо от его национальности. Эта информация позволит оперативно корректировать план полета и управлять движением по маршруту.
Авионика новых поколений предоставит участникам воздушного движения практически весь спектр навигационных услуг, включая, конечно, точное определение местоположения воздушного судна с использованием информации как со спутников, так и от наземных источников, особенно при полетах по наиболее напряженным маршрутам и в районах аэропортов.
Более того, представляется все более реальным отказ от движения по строго регламентированным коридорам и переход к так называемым свободным полетам по наиболее выгодным траекториям. Идею свободных полетов выдвинули в США, и сейчас эта концепция активно осваивается в Европе в областях с высокой плотностью населения.
Свободный полет обеспечивает экономию топлива и времени за счет более гибкого распределения участников движения по маршрутам и воздушным эшелонам, а также за счет выбора более коротких маршрутов и уменьшения задержек в ожидании посадки. Гибкий план полета формируется на основе текущей навигационной информации и стандартных процедур, а также с учетом типовых схем полета, хранящихся в навигационной компьютерной базе данных воздушного судна, а именно:
- схемы вылета и прибытия по приборам;
- схемы перехода с одного участка маршрута на другой;
- схемы захода на посадку;
- сведения о взлетно-посадочных полосах;
- схемы захода на второй круг и полета в зоне ожидания;
- информация об авиационных трассах и маршрутах авиакомпаний;
- методы построения плана полета;
- порядок обмена данными между бортом и землей;
- способы «ручной» коррекции плана полета, например по промежуточным пунктам маршрута;
- порядок учета разнообразных ограничений и введения их в план полета.
Разрабатывая план полета, нужно спрогнозировать его траекторию и соответственно расход топлива. При расчете траектории определяются оптимальные высоты и скорости полета, ожидаемые моменты прохождения промежуточных пунктов маршрута c оценкой количества остающегося топлива и с учетом динамики самолета. Эти данные через подсистему адресации, входящую в систему связи, самолет передает на землю, а оттуда получает инструкции, как оптимизировать параметры полета.
В реализацию плана входят также наведение самолета на посадочную полосу и управление им вплоть до посадки, а также автоматическая или ручная настройка на радионавигационные средства.
Пока при полетах над обширными водными пространствами и труднодоступными районами суши, где нет средств радиолокации, за авиационными средствами следят только по донесениям пилотов, передаваемым по каналам речевой связи. На остальной части маршрута за самолетом ведется радиолокационное наблюдение. В гражданской авиации до последнего времени использовали традиционные (первичные) радиолокаторы. Принцип их действия состоит в регистрации отраженных от летящего объекта коротковолновых импульсов, излучаемых локатором. При этом идентифицировать объект без дополнительной информации невозможно: это может быть гражданский или военный самолет, крупная птица или даже НЛО. Военные уже давно пользуются так называемыми вторичными радиолокаторами, использующими систему опознавания «свой-чужой». Такие же локаторы предлагается применять и в гражданской авиации. Здесь, правда, все объекты относятся к "своим", и, приняв импульс, самолет тут же посылает в ответ все данные о себе, включая высоту, скорость и курс.
Определение местоположения с помощью спутниковой навигационной системы и первичных и вторичных радиолокаторов в сочетании со средствами цифровой связи образует основу третьего компонента концепции CNS/ATM – наблюдения. При этом предполагается, что роль наземных радаров для наблюдения будет постепенно уменьшаться.
С помощью наблюдения диспетчер контролирует выдерживание безопасных интервалов в эшелонах, организует эффективное использование воздушного пространства и помогает пилоту сделать полет безопасным. Более того, с воздушного судна в автоматическом режиме периодически передается вся информация о его состоянии (не только местоположение, скорость и направление движения, но и запасы топлива, режимы работы двигателей и даже поведение пассажиров).
Поскольку любой радар обладает погрешностью в определении координат, то сведения, полученные с борта и, следовательно, в высшей степени достоверные, позволяют на земле принимать более обоснованные решения. При этом на дисплеях диспетчеров самолет выглядит так же, как при наблюдении за ним с помощью радара. Такая технология получила название автоматического зависимого наблюдения, поскольку результаты наблюдений «зависят» от данных, поступающих с воздушного судна.
Уверовав в непогрешимость зависимого наблюдения, американцы во многих случаях стали отказываться от применения радаров и были за это жестоко наказаны в памятный день 11 сентября. Террористы отключили радиопередатчики и тем самым сделали самолеты «невидимыми» с земли.
Внедрение же системы зависимого наблюдения в России очень актуально, поскольку с его помощью, как указывалось, можно оценивать состояние воздушного пространства в регионах, не обеспеченных радиолокаторами. А таких мест у нас очень много: на огромных пространствах с суровыми климатическими условиями практически не живут люди. Вместе с тем именно там можно проложить наикратчайшие и, значит, наиболее перспективные международные воздушные маршруты, связывающие бурно развивающиеся экономические центры Юго-Восточной Азии с городами Северной Америки и Европы.
Итак, система наблюдения за самолетом с применением современных средств авионики должна предусматривать:
- автоматическую передачу с борта воздушного судна информации о его местоположении и планируемых маневрах;
- расширенный режим работы вторичного обзорного радиолокатора;
- наличие бортовой системы предупреждения столкновений (TCAS) [2].
Расширенный режим подразумевает, что локатор может запрашивать все оборудованные соответствующей аппаратурой воздушные суда, а также посылать адресные запросы конкретным самолетам и обмениваться с ними цифровой информацией, то есть выполнять роль канала передачи данных.
О бортовых системах предупреждения столкновений в воздухе (TCAS) настойчиво заговорили после катастрофы 1 июля 2002 г. с самолетом «Башкирских авиалиний», в результате которой погибли дети. Подобные системы разводят самолеты, находящиеся в опасной близости друг от друга. Если опасно приблизившийся самолет оборудован ответчиком, то система с помощью запросов и ответов определит его местонахождение, отобразит нарушителя на экране электронного дисплея и в случае необходимости выдаст рекомендации по маневру уклонения. Система значительно повышает степень осведомленности пилота и снимает с него часть нагрузки в полете.
Однако американские и европейские, в том числе и российские, пилоты по-разному расставляют приоритеты: при противоречивых указаниях наземного диспетчера и TCAS американцы следуют рекомендациям автомата, а европейцы слушаются диспетчера. Подобная несогласованность и стала причиной трагедии.
Таким образом, авионика, осуществляя функции наблюдения и навигации, позволяет эффективнее эксплуатировать воздушный транспорт: более строго соблюдается расписание полетов, снижаются расходы на топливо и на зарплату экипажам, самолеты теряют меньше времени на рулежках, можно пользоваться прямыми или наикратчайшими (ортодромическими) маршрутами, в т.ч. проходящими через Северный и Южный полюса, по оптимальным траекториям обходить районы с неблагоприятными метеоусловиями. Оптимизируя характеристики полета, пилоты могут теперь не летать по строго определенным маршрутам, а гибко менять их, экономя время и топливо.
К важным преимуществом авионики, создаваемой в соответствии с концепцией CNS/ATM, относится ее «бесшовность», т.е. электронное оборудование можно модернизировать непрерывно, без «смены поколений». Новые технологии авиационных перевозок не исключают применения прежней авионики организации воздушного движения, хотя перспективными, а в будущем единственными, объявлены спутниковые системы.