Раздел 2. Анализ существующих систем посадки и выявление их недостатков
2.1 Анализ эволюции и классификации систем посадки: от радиомаяков к спутниковым технологиям
Завершающим этапом полета является посадка ВС. Посадка является самым сложным этапом полета с точки зрения обеспечения безопасности. Статистика ведущих авиационных организаций, например IATA (INTERNATIONAL AIR TRANSPORT ASSOCIATION), показывает, что до сорока процентов всех авиационных происшествий приходится именно на этот этап. Примерно семь из каждых десяти таких инцидентов связаны либо с ошибками пилотов, либо с тем, что навигационное оборудование оказалось недостаточно точным или отказало в самый неподходящий момент. Именно поэтому совершенствование систем посадки до сих пор остаётся одной из главных проблем в авиации [1].
Самой первой системой посадки было упрощенное оборудование системы посадки (ОСП). Система ОСП позволяла подвести ВС к плоскости посадочного курса и контролировать его положение относительно расчетной, установленной глиссады при пролете ДПРМ и БПРМ.
Таким образом, при использовании ОСП экипаж определяет положение ВС относительно двух фиксированных точек на земной поверхности и в соответствии с этим строит маневр захода на посадку. В настоящее время в качестве современной системы посадки используют классическую систему ILS. Она была создана на основе ОСП, но с добавлением КРМ и ГРМ для обеспечения более точного и простого для членов экипажа захода на посадку. Однако данный метод требует от экипажа высокой квалификации и постоянного внимания, поскольку информация о положении ВС поступает дискретно и не даёт непрерывной картины отклонений.
В настоящее время в гражданской авиации в качестве основной современной системы посадки повсеместно используют классическую радиомаячную систему ILS. Исторически она была создана на основе принципов ОСП, но получила принципиальное развитие за счёт добавления двух ключевых компонентов: КРМ, формирующего направляющий луч в горизонтальной плоскости, и ГРМ, задающего луч в вертикальной плоскости. Эти дополнения позволили перейти от ориентирования по отдельным точкам к непрерывному сопровождению самолёта в пространстве, что кардинально повысило точность захода, снизило метеоминимум и существенно упростило работу экипажа, так как пилоту или автопилоту достаточно удерживать стрелки индикаторов в нулевом положении, не выполняя сложных расчётов в уме.
Работа системы посадки ILS строится на взаимодействии наземного и бортового оборудования. Наземная часть включает КРМ и ГРМ, а также маркерные антенны. Курсовой радиомаяк, расположенный за торцом ВПП, формирует луч, задающий направление по горизонтали и указывающий отклонение самолёта от осевой линии. Глиссадный радиомаяк, установленный сбоку от полосы, создаёт вертикальный луч, определяющий оптимальный угол снижения. Маркерные антенны, размещённые на удалении от полосы, отмечают фиксированные рубежи захода, информируя экипаж о расстоянии до ВПП.
Бортовое оборудование состоит из антенн
для КРМ, ГРМ и маркерных маяков, приёмника
и индикатора на приборной панели.
Приёмник обрабатывает сигналы обоих
маяков и преобразует их в данные об
отклонении от заданной траектории.
Индикатор отображает положение самолёта
относительно глиссады и курса, позволяя
пилоту или автопилоту точно корректировать
управление для выхода в точку приземления.
Структурная схема посадки современного
ВС представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Структурная схема посадки современного ВС
Курсовой радиомаяк рисует в пространстве узкую вертикальную плоскость, то есть продолжение осевой линии полосы. В свою очередь глиссадный создаёт наклонную плоскость, которая задаёт траекторию снижения, обычно под углом 2,5-3,5 градуса к горизонту. Таким образом пересечение двух радиолучей даёт всего одну, единственную траекторию захода. Диаграммы направленности курсового и глиссадного радиомаяков представлены на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Диаграммы направленности курсого и глиссадного радиомаяков
Благодаря сигналам от этих маяков, пилоты понимают, насколько он отклонился от нужного курса и глиссады, и ведут ВС таким образом, чтобы планки отклонения по курсу и глиссаде были по центру комбинированного пилотажного прибора модернизированного (КППМ).
Внешний вид КППМ представлен на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Внешний вид КППМ
Данная система была разработана ещё в середине прошлого века, но себя она показала отлично. Современные версии ILS позволяют сажать самолёт вслепую, в условиях нулевой видимости, что соответствует категориям и IIIC.
Несмотря на достоинства данной системы у нее есть ряд принципиальных недостатков. И со временем эти недостатки начали сильно ограничивать её применение, особенно в настоящее время, когда воздушное движение стало плотным и сложным. Во-первых, отражение сигналов от зданий, ангаров, неровностей рельефа и крупных самолётов, стоящих на перроне плохо влияет на прием сигналов воздушным судном. Это значит, что зону вокруг полосы надо держать в идеальной чистоте, нельзя строить высокие сооружения и парковать технику близко к маякам Во-вторых, оборудование требует частой и дорогой калибровки. Для крупных аэропортов это терпимо, но для мелких это существенно.
В восьмидесятые годы прошлого века многие возлагали надежды на MLS. Принцип действия был такой же, как и у ILS, но рабочие частоты у этой системы были выше, порядка нескольких гигагерц. За счёт этого MLS могла обслуживать не узкий луч, а покрывать широкую зону действия: до сорока градусов влево-вправо от оси полосы по азимуту и до пятнадцати вверх по углу места. Это было создано для того, чтобы пилоты могли выбирать любую удобную траекторию с учетом метеорологических явлений в виде бокового ветра. С помощью MLS ВС могло заходить на траекторию посадки под углом 90°. Но MLS так и не получила широкого распространения в виду высокой стоимости наземного и бортового оборудования, сложности в эксплуатации и высокой подверженности помехам.
С начала 2000-х появились перспективные спутниковые системы посадки. Их обычно упоминают вместе с наземной дополняющей системой GBAS. Принцип работы заключался в следующем: вместо наземных маяков, которые передают информацию воздушному судну с помощью радиолучей, которые излучает курсо-глиссадная система, расположенная в пределах аэродрома, используется глобальная навигационная спутниковая система: американский GPS, российская ГЛОНАСС, европейская GALILEO. Спутники видны практически отовсюду. Воздушное судно с обычным приёмником может определить свои координаты с точностью до нескольких метров. Но для посадки, особенно в плохую погоду, требуется точность с шагом до сантиметров и высочайшая надёжность. Эти характеристики обеспечивает наземная система функционального дополнения. На аэродроме ставят одну или несколько опорных станций с точно известными координатами. Эти станции принимают сигналы спутников, что и самолёт, вычисляют ошибки и передают поправки на борт по отдельному радиоканалу. Самолёт, получив поправки, уточняет своё местоположение до уровня, достаточного для автоматической посадки по первой категории ИКАО.
Главным преимуществом спутниковых систем посадки является то, что один наземный комплекс GBAS может обслуживать все полосы аэродрома, в свою очередь для ILS под каждую полосу нужен свой комплект маяков. SBAS не привязана к одной траектории: можно проектировать криволинейные заходы и заходы с разных направлений, что особенно ценно в горах или при интенсивном движении. Так же преимуществом является то, что развёртывание GBAS с обслуживанием обходится дешевле, особенно для второй и третьей категорий, где ILS требует огромных затрат на обслуживание и калибровки.
На рисунке 2.4 представлена структурная схема работы SBAS и GBAS.
Рисунок 2.4 – Структурная схема работы SBAS и GBAS
Как и у любых других систем, спутниковые технологии имеют ряд недостатков. Во-первых, сигнал, поступающий со спутника, очень слаб. Заглушить его легко, для этого достаточно портативного генератора помех мощностью в один ватт, работающего на частоте 1575 МГц. Были случаи, когда злоумышленники с нелегальными глушилками, купленными через интернет, сбивали с толку навигацию небольших беспилотников вблизи аэропортов. Более того, можно создать ложный сигнал – спуфинг. В этом случае воздушное судно получает координаты, не соответствующие реальным, и идёт по ложной траектории. Во-вторых, присутствуют различные атмосферные и ионосферные возмущения. Даже наземная дифференциальная коррекция не всегда может их полностью скомпенсировать. В-третьих, присутствуют технические отказы. Спутник может выдать неверные данные. Пока система контроля целостности это заметит и передаст сигнал тревоги, пройдут драгоценные секунды. А для самолёта, который заходит на посадку на большой скорости, важна каждая секунда. Тем не менее объединение SBAS и GBAS не смогло удовлетворить категорию посадки CAT IIIC
Таким образом, ни одна из систем посадки по отдельности не обладает одновременно высокой точностью, устойчивостью к помехам, независимостью от дорогой инфраструктуры и гарантированной целостностью информации. Ввиду этого разумно объединять разнородные принципы, компенсируя недостатки друг друга. Это и есть идея гибридной системы посадки.