УДК 62

Обзор и анализ современных радиотехнических систем навигации гражданской авиации

Шамтов Максим Станиславович – студент Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.

Аникин Илья Александрович – студент Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.

Тарасов Арсений Александрович – студент Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.

Аннотация: В работе проводится обзор и анализ радиотехнических систем для ближней навигации, применяемых для решения навигационных задач в гражданском сегменте авиации Российской Федерации. Освещено современное состояние комплектования наземными навигационными системами подразделений гражданской авиации, рассмотрены проблемы перехода на новые радиотехнические системы, предоставлен уравнительный анализ тактико-технических характеристик систем, представляющих наибольший интерес для гражданской авиации.

Ключевые слова: радиотехнические системы, ближняя навигация, радиомаяк, дальномер, пеленгатор, азимутальный радиомаяк.

Введение

Основной целью работы является исследование путей переоснащения гражданских аэродромов по радиотехническим средствам навигации и посадки для обеспечения полетов авиации с учетом опыта зарубежных государств [1]. Вторыми, не менее значимыми причинами, является устаревшая техника и необходимость воплощения современных методов формирования и обработки сигналов, которые, соответственно, требуют применения новейших информационно-телекоммуникационных технологий. В работе представлен анализ радиотехнических средств, которые могут быть применены для решения проблем переоснащения или послужить примером реализации технических решений [2].

Существует три направления решения проблем переоснащения. Первый – развертывание собственного производства, но его неприемлемость основывается на огромной затратности, продолжительности времени реализации при неочевидности достижения ожидаемого эффекта в конкурентной среде мировых производителей аналогичной по назначению продукции. Второе направление основывается на идеях модернизации существующей техники и является следствием выполнения по умолчанию стандартов СССР, на основе которых построен бортовой и наземный сегмент радионавигационной аппаратуры. Кстати, эти системы не в полной мере отвечают требованиям International Civil Aviation Organization (международная организация гражданской авиации) (ICAO). Так следует третье направление – закупка техники, отвечающей требованиям ICAO, IATA, НАТО, с последующей организацией переподготовки летного и инженерно-технического состава [3-4].

Следует заметить – жизненный ресурс авиационной и наземной техники неумолимо приближается к своему завершению и появляется возможность закладки фундамента интеграции государственной авиации Российской Федерации в международное авиационное сообщество, успешно осуществляемое уже в течение нескольких лет в системе гражданской авиации [5–7].

Пришло время выбора третьего направления развития и при этом следует правильно расставить акценты будущего в радионавигационном обеспечении государственной авиации Российской Федерации. В работах [8–10] рассмотрены аспекты усовершенствования, перспективы и направления развития радиотехнического обеспечения полетов авиации. Но наземному сегменту, а именно радионавигационному обеспечению, было уделено наименьшее внимание. Следует заметить, что системы радионавигационного обеспечения относятся к технологии позиционирования и навигации, которая включена в перечень критических технологий в сфере производства авиационной техники [6].

Целью работы является обзор и анализ современных радиотехнических систем навигации гражданской авиации.

Результаты и их обсуждение

В 2010 году на 37-й сессии Ассамблеи ИСАО Российская Федерация согласилась с положениями резолюции A37/11, требующей от государства внедрения навигации, основанной на характеристиках (Performance based navigation (PBN)).

Основные принципы изложены в документе ICAO DOC 9613 Performed-based Navigation (PBN) Manual. Анализ состояния выполнения плана внедрения PBN в Российской Федерации показал, что первый вариант плана "морально устарел", а новые разработанные в 2015 и 2016 годах варианты, более соответствующие реальностям современной аэронавигационной системы Российской Федерации, не были приняты [9].

PBN – зональная навигация, основанная на требованиях к характеристикам воздушного судна, выполняющегоет полет по маршруту обслуживания воздушного движения, процедуру захода на посадку по приборам или полет в установленном воздушном пространстве. В основу такого подхода положены требования не к оборудованию, обеспечивающему установленные нормы и параметры, а к характеристикам этого оборудования.

Концепция PBN представляет собой переход от навигации основанной на датчиках к навигации, основанной на характеристиках. Учитывая требования по радионавигационному обеспечению и тот факт, что самолеты авиации ПС тоже используют существующие радионавигационные поля гражданской авиации, рассмотрим наземные системы, которые предлагаются к использованию для обеспечения навигации и посадки в Российской Федерации с точки зрения возможного пополнения авиапарка самолетами, оборудованными радионавигационными системами стандарта ICAO и НАТО.

К наземным системам радионавигации ближнего действия относятся следующие системы [6]:

  • автоматический радиопеленгатор (АРП);
  • всенаправленный азимутальный радиомаяк;
  • всенаправленный дальномерный радиомаяк;
  • приводной автоматический радиомаяк;
  • курсовый и глисадный радиомаяк;
  • наземный дальномер.

Эти системы целесообразно разделить и рассматривать по следующим признакам:

  • наземные радиопелленгационные системы (автоматические радиопеленгаторы);
  • наземные навигационные системы, обеспечивающие формирование для бортового оборудования самолета сигналов, характеризующих положение воздушного судна в полярной системе координат (азимут, дальность) относительно радионавигационной точки (радиомаяка), положение которой на местности точно известно (всенаправленный азимутальный и дальномерный радиомаяк);
  • наземные радионавигационные системы захода на посадку по приборам (приводной автоматический радиомаяк, курсовой и глисадный радиомаяк, наземный дальномер).

Заметим, что речь идет об АРП, которые используются на аэродромах для радиотехнического обеспечения навигации и посадки самолетов. АРП является основным радионавигационным средством в упрощенных системах посадки полевых и запасных аэродромов [10]. На категорированных аэродромах выполняют дублирующую функцию.

На практике управление воздушным движением АРУ применяют в следующих целях:

  • контроль за положением ЛА относительно заданной линии пути;
  • поиск и распознавание отметок ЛА на индикаторе воздушной обстановки методом наложения линии пеленга на его отметку;
  • определение местоположения ЛА по сигналам от нескольких радиопелленгаторов, разнесенных на местности.

В комплексе с другими радиотехническими средствами АРП широко используются в аэродромных и районных автоматизированных системах управления воздушным движением (АС УВД) гражданской авиации. В зависимости от эксплуатационной точности, оцениваемой на практике среднеквадратичной погрешностью в определении пеленга, АРП делятся на три класса: 1 класс – до 0,75º; 2 - 0,75…1,5º; 3 – 1,5…3º.

На аэродромах Российской Федерации в настоящее время эксплуатируются АРП типа АРП-11 (Е-512). Рабочий диапазон частот радиопеленгатора 100…150 МГц и 220…400 МГц. Точность пеленгирования не хуже 20 . По точности этот радиопеленгатор относится к 3 классу. Но уровень автоматизации, надежность и ресурс не удовлетворяют современным требованиям. Исключение составляет аэродромный многоканальный допплеровский радиопеленгатор АРП-75, нашедший применение в системе управления воздушным движением гражданской авиации (УВД ГА). В нем применяется допплеровский метод пеленгации, имеющий малейшие погрешности при пеленгации.

Аппаратура АРП размещена в кузове ПАУ-1 с автоматизированной системой терморегулирования. Следующим шагом на пути обновления радиопеленгаторов был радиопеленгатор АРП-95, но с момента появления процессорной обработки и операционных систем началась новая история для современных радиопеленгаторов, таких как DF-2000 Платан [10].

Этот АРП обеспечивает пеленгирование амплитудно модулированных высокочастотных сигналов фазовым методом, используя от 2 до 16 частотных каналов в зависимости от варианта комплекта поставки аппаратуры. Диапазон рабочих частот 100 – 400 МГц. Шаг сетки частот 25 кГц; 8,33 кГц. Среднеквадратичная погрешность пеленгирования не более 1°. Дальность пеленгирования: минимальная более 45 км при высоте полета воздушного судна (ВС) 150 (± 50) м, максимальная свыше 360 км при высоте полета ВС 10000 (± 50) м.

Предлагается к использованию автоматический двухканальный радиопеленгатор RT-1000 Rhoth. eta Elektronik GmbH (Германия), известный также под наименованием PA030 (Rohde & Schwarz). Радиопеленгатор RT-1000 разработан специально для применения в системах управления воздушным движением и отвечает всем требованиям ICAO. Кроме того, он может быть использован для контроля движения морских судов у побережья [2]. Диапазон рабочих частот: для авиационных нужд – 118,000…136,975 МГц, для морских судов – 156,000…174,000 МГц. Расстояние между каналами 33 кГц.

Расположение антенны не зависит от рабочей станции. Для удаленной работы не требуется дополнительной инфраструктуры. Конструкция модульная. Для системной интеграции используется интерфейс RS232. Информация о пеленге может быть интегрирована в экран радара. Следующей системой зарубежного производства является новая система пеленгации ATC-DF-S (ATC DF – Air Traffic Control Direction Finder) от Rohde & Schwarz (Германия) для управления воздушным движением на гражданских аэродромах [2-3]. Система создана на основе пеленгатора, разработанного специально для управления воздушным движением, и позволяет точно определять пеленг одновременно на 32 частотных каналах. Возможные изменения системы варьируются от небольших пеленгационных систем для аэропортов с двумя каналами в авиационном диапазоне частот от 117,975 до 137 МГц до мощных систем для аэропортов с количеством параллельных каналов до 32-х для полного охвата диапазона частот в полосе до 450 МГц. Доступна разноска каналов 8,33 кГц и 25 кГц. Результаты пеленгирования передаются в систему управления воздушным движением через интерфейс TCP/IP или RS-232 и отображаются на радарном дисплее.

Центральным компонентом каждой конфигурации является компактный всепогодный противоударный пеленгаторный блок R&S DFU300 в уличном исполнении, включающий системный сервер пеленгатора, температурный контроль, блок питания, GPS и Ethernet свитч.

Встроенная система контроля температуры имеет активное охлаждение и нагрев, благодаря чему R&S DFU300 можно использовать в широком диапазоне температур. Благодаря встроенному модулю GPS, R&S®DFU300 определяет точное географическое расположение и привязку к точному времени. Вместе с пеленгаторной антенной пеленгаторный блок устанавливается на мачту. Внешний UPS, антенна и сигнальные огни могут быть добавлены по желанию заказчика. Особо заметим, что практически все радиопеленгаторы, работающие в системе управления воздушным движением гражданской авиации, имеют следующие особенности:

  • АРП комплектуются не радиостанциями, а приемными устройствами, которые, в большинстве случаев, работают в диапазоне 118 – 134 МГц. Связь диспетчера с воздушным судном осуществляется через отдельные радиопередатчики;
  • индикация пеленга происходит на рабочих местах диспетчеров;
  • в качестве аварийных источников питания используются аккумуляторные батареи со сроком работы менее часа. Автономные агрегаты питания в состав не входят.

Наземные радионавигационные системы

К иностранным системам ближней навигации, удовлетворяющим требованиям ICAO и используемым НАТО, относятся системы VOR, VOR/DME, VORTAC, TACAN. VOR-VHF (Very High Frequency) OmniDirection Rang – всенаправленный радиомаяк измерения азимута. DME – Distance Measuring Equipment – радиомаяк измерения наклонной дальности. VOR/DME – комплексная радионавигационная система, образующаяся при территориальном сочетании VOR и DME. Каналы этих систем работают в различных частотных диапазонах и представляют собой самостоятельные радионавигационные устройства, которые иногда используются самостоятельно для выполнения отдельных навигационных задач. DVOR – Doppler VHF (Very High Frequency) Omni-Direction Rang – доплеровский всенаправленный радиомаяк измерения азимута TACAN – тактическая навигационная система военной авиации НАТО, обеспечивающая наземным и воздушным пользователям определение азимута и наклонной дальности. В сочетании с гражданским сегментом (VOR) система получила название VORTAC. В зависимости от обеспечения выполнения требований навигационного параметра RNP (Required Navigation Performance), который определен ICAO как показатель точности навигационных характеристик в пределах определенного воздушного пространства, основанной на сочетании среднеквадратических ошибок навигационного датчика, бортового приемника, устройства отображения данных измерения и ошибок, обусловленных техникой пилотирования [2-4].

В настоящее время ICAO установлено пять стандартных типов RNP, предназначенных для общего применения при полетах по маршрутам. Такими типами являются: RNP1; 4; 10; 12,6; 20. Эти типы RNP, соответственно, подразумевают следующие значения точности: +1м.миля (+1,85 км); +4 м.мили (+7,4 км); +10 м. миль (+18,5 км); +12,6 м.мили (+23,3 км); +20 м. миль (+37 км). Радиомаяки VOR предназначены для установки в условиях "ровного" рельефа местности, не искажающей исходные характеристики радиомаяка. При сложном рельефе местности (горный рельеф, значительные неровности и др.) должны устанавливаться доплеровские радиомаяки (DVOR), имеющие специальную антенную систему, позволяющую получать необходимые исходные характеристики в таких районах. Соответственно и требования к месту установки этих радиомаяков разнятся. В основу принципа работы радиомаяка положен фазовый метод измерения азимута, сущность которого заключается в непрерывном измерении фазы обводного азимутального сигнала относительно фазы опорного сигнала. При формировании азимутального сигнала в радиомаяке VOR применяются неподвижные антенны, которые питаются либо через вращающийся, либо через электронный гониометр, имитирующий вращение антенны [6]. Установленные ICAO требования к точности для VOR (или CVOR) составляют ±2º, но реально с доверительной вероятностью 95% система дает точность ±1,5º, что превышает установленные требования. Широкое применение нашли системы, совместимые с CVOR, поскольку используют тот же приемник, и имеют погрешность измерения менее 0,5º. Отличием DVOR является замена пространственной модуляции эффектом Доплера, полученным от вращения антенны электронным способом. Диапазон частот, в котором работает VOR, лежит в пределах от 108 МГц до 118 МГц (VHF) и имеет 200 каналов, которые разнесены друг от друга на 50 кГц. Чаще всего азимутальный радиомаяк VOR используют в комплексе с дальномерным радиомаяком DME, представляющим собой приемопередатчик, формирующий сигнал ответа на запрос самолетного запросчика. Такая комплексная система получила название VOR/DME.

В системе используется вертикальная поляризация и, следовательно, она не совместима с VOR, хотя может быть установлена рядом с VOR. Такая система получила название VORTAC. При этом антенна системы TACAN размещается над антенной VOR. В таком варианте (TACAN, DME и VOR) система может использоваться гражданскими самолетами, но гражданские самолеты могут использовать только сегмент VOR/DME. По сути, TACAN – это DME, модулированный с помощью пространственной модуляции (с вращающейся диаграммой) для получения пространственно переменного сигнала VOR, опорный сигнал которого излучается в виде кодированных импульсов. К современным системам DME для измерения расстояния относится дальномерный радиомаяк DME 2020 компании Moog Aircraft Group [7]. В системе применены современные твердотельные элементы, реализован аппаратный мониторинг. Форма и спектр сигналов контролируется с помощью быстрой цифровой обратной связи, позволяющей поддерживать сигнал в допустимых пределах в разных условиях эксплуатации.

Система отвечает требованиям Приложения 10 ICAO и FAA-E-2996 и может эксплуатироваться как самостоятельно, так и в сочетании с другими навигационными средствами, такими как ILS, CVOR, DVOR и NDB. Она может быть выполнена в различных конфигурациях: стационарном или мобильном варианте и имеет интегрированную систему мониторинга и обслуживания, результаты работы которой отображаются на локальном персональном компьютере (ПК) или удаленном ПК, или на обоих одновременно. Встроенное в систему контроля средство "анализа тенденций" позволяет на раннем этапе идентифицировать потенциальные отказы аппаратуры, что позволяет оптимизировать ремонтные и сервисные работы.

Наземные радионавигационные системы захода на посадку по приборам включают приводной автоматический радиомаяк, курсовой и глисадный радиомаяк, наземный дальномер. Этот сегмент радиотехнических систем навигации является особым звеном в системе обеспечения полетов государственной авиации и требуют отдельного рассмотрения и анализа, поскольку объединяют в себя перечень специфического оборудования и проблемных вопросов, которые оно должно решать в пределах установленных требований.

Выводы

Проведенный обзор и анализ радиотехнических систем навигации, используемых на территории Российской Федерации гражданской авиацией, требуют обновления. Выполнение требований ICAO и применение в гражданском сегменте требований к параметрам радиотехнических систем позволит решить ряд проблем совместного использования гражданских аэродромов, комплектования авиационных подразделений новейшими образцами техники при наличии финансового обеспечения, выполнения требований международного аэронавигационного сообщества и т.д.

Список литературы

  1. Федотовских А.В. Альтернативные средства навигации для гражданской беспилотной авиации арктического и северного базирования // Россия: тенденции и перспективы развития. 2022. №17-2. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/alternativnye-sredstva-navigatsii-dlya-grazhdanskoy-bespilotnoy-aviatsii-arkticheskogo-i-severnogo-bazirovaniya (дата обращения: 28.04.2023).
  2. Федотовских А.В. Формирование стратегии развития гражданской авиации России и ее кадрового обеспечения в условиях цифровизации отрасли // Россия: тенденции и перспективы развития. 2022. №17-1. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/formirovanie-strategii-razvitiya-grazhdanskoy-aviatsii-rossii-i-ee-kadrovogo-obespecheniya-v-usloviyah-tsifrovizatsii-otrasli (дата обращения: 28.04.2023).
  3. Затучный Д.А. К проблеме устойчивости и радиотехнической защищённости навигационных систем воздушного судна гражданской авиации, использующих точные системы спутниковой навигации // НиКа. 2018. №.1. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-probleme-ustoychivosti-i-radiotehnicheskoy-zaschischyonnosti-navigatsionnyh-sistem-vozdushnogo-sudna-grazhdanskoy-aviatsii (дата обращения: 28.04.2023).
  4. Рубцов Е.А. Автоматизация оценки влияния объектов строительства на работу средств радиотехнического обеспечения полетов // I-methods. 2022. №3. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/avtomatizatsiya-otsenki-vliyaniya-obektov-stroitelstva-na-rabotu-sredstv-radiotehnicheskogo-obespecheniya-poletov (дата обращения: 28.04.2023).
  5. Арефьев Р.О. Скрыпник О.Н., Арефьева Н.Г. Опыт использования программно-определяемых GNSS приёмников // Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык. 2022. №1. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opyt-ispolzovaniya-programmno-opredelyaemyh-gnss-priyomnikov (дата обращения: 28.04.2023).
  6. Степаненко А.С. Развитие навигационных систем в гражданской авиации // Научный вестник МГТУ ГА. 2017. №1. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-navigatsionnyh-sistem-v-grazhdanskoy-aviatsii (дата обращения: 28.04.2023).
  7. Соколов И.А., Мишарин А.С., Куприяновский В.П., Покусаев О.Н., Липунцов Ю.П. Проекты цифрового транспорта с глобальными навигационными спутниковыми системами - путь к построению интегрированных систем цифрового транспорта // International Journal of Open Information Technologies. 2019. №1. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/proekty-tsifrovogo-transporta-s-globalnymi-navigatsionnymi-sputnikovymi-sistemami-put-k-postroeniyu-integrirovannyh-sistem-tsifrovogo (дата обращения: 28.04.2023).
  8. Ступак Г. Г., Лысенко Л. Н., Бетанов В. В., Звягин Ф. В., Райкунов К. Г. Состояние и перспективы совершенствования орбитальных структур навигационных спутниковых систем // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2014. №1 (94). [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sostoyanie-i-perspektivy-sovershenstvovaniya-orbitalnyh-struktur-navigatsionnyh-sputnikovyh-sistem (дата обращения: 28.04.2023).
  9. Бабуров В.И., Гальперин Т.Б., Рогова А.А., Саута О.И. Тенденции способов комплексирования в системах навигации и посадки // Научный вестник МГТУ ГА. 2016. №5. [Электронный ресурс] // URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tendentsii-sposobov-kompleksirovaniya-v-sistemah-navigatsii-i-posadki (дата обращения: 28.04.2023).
  10. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования: монография / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. - 4-е изд., перер. и доп. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: