Авионика гражданской авиации

Авионика: регулировщик воздушного движения

Сравнительно недавно на планете отметили юбилей - 100 лет со дня первого полета аэроплана братьев Райт. Для эволюции технических средств - срок довольно большой, но метаморфозы летательных аппаратов не могут не впечатлять. На самолетах первых конструкций, сделанных из обтянутых парусиной деревянных реек и развивавших скорость, которая ныне даже автомобилистам представляется едва ли не черепашьей, мог летать только пилот и в лучшем случае еще один человек. Современные лайнеры вмещают почти столько же пассажиров, сколько перевозит железнодорожный состав, а истребители летают в несколько раз быстрее звука. Летчикам стало слишком трудно следить за мгновенно меняющейся обстановкой и управлять могучими машинами. А для успешного решения задач военной разведки понадобились (и уже созданы) беспилотные летательные аппараты (БПЛА), в том числе микроэлектромеханические размером с насекомых - жуков, стрекоз и т.п. Эти аппараты используют как на открытом воздухе, так и в помещениях для подслушивания и подглядывания. Разумеется, людей на таких малютках быть не может, но управлять ими необходимо. В связи с этим и возникла новая отрасль технических наук под названием "авионика", то есть АВИация + электрОНИКА. Другими словами, эта дисциплина в основном занимается электронной начинкой современных летательных средств. Кстати, и весь комплекс бортовых электронных устройств также называется авионикой. Данное оборудование включает радиостанции, контрольно-измерительную аппаратуру, бортовые радары и компьютеры, "черные ящики". Оно используется для управления полетом и работой самых разнообразных технических средств - самолетов, вертолетов, экранопланов, ракет и БПЛА. Воздушная среда является для них источником подъемной силы, а в военной области при необходимости - "возмутителем" движения, позволяющим обеспечить требуемую траекторию и состояние летающего объекта, например управляемых бомб.

Авионика обеспечивает полет различных авиационных средств, в том числе управляемых на расстоянии воздушных шаров и авиамоделей, доставляющих источники радиопомех в районы боевых действий, и выполнение ими поставленных задач. В гражданской авиации с помощью авионики осуществляют рациональную организацию воздушного движения (ОВД), обеспечивают безопасность и комфорт пассажиров и экипажа, сохранность доставляемых воздушными судами грузов. Большую роль играет авионика при проведении хозяйственных работ: монтаже громоздких строительных конструкций, обработке сельскохозяйственных угодий, разведке полезных ископаемых, тушении пожаров, действиях в очагах чрезвычайных ситуаций и т.д.

Глобальная организация воздушного движения

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 году 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, то есть "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.

В чем же причины появления столь масштабного замысла?

В небе стало тесно

Количество полетов в последнее время сильно возросло, и интенсивность воздушного движения продолжает увеличиваться. Существующие наземные и бортовые информационные средства просто не в состоянии обеспечить требуемый уровень безопасности полетов. Дополнительно осложняет ситуацию система правил полетов, жестко разделяющая воздушное пространство на зоны, или эшелоны. Эшелон - это некий туннель с незримыми стенками, и экипаж в полете не имеет права выходить за них. Эшелонирование воздушного пространства сейчас осуществляют исключительно наземные диспетчерские службы, передавая друг другу летящее воздушное судно, как эстафетную палочку.

Подобная технология крайне затрудняет организацию полетов бурно развивающейся в последнее время так называемой малой авиации, или авиации общего назначения. Используемый термин "малая авиация" достаточно условен и обычно применяется для легких и средних воздушных судов, взлетная масса которых составляет 0,5-10,0 т, способных перевозить от 2 до 19 человек на расстояния 200-2500 км. Средствами малой авиации пользуются для воздушных перевозок в личных целях, проведения хозяйственных работ, воздушного мониторинга и патрулирования, учебно-тренировочных и демонстрационных полетов и т. д. Как видно из перечисленных задач, решаемых малой авиацией, основная ее отличительная черта - нерегулярность полетов.

К сожалению, Россия по числу используемых средств малой авиации и по организации их полетов далеко отстает от большинства развитых стран. Причина этого - "закостенелые" технологии организации движения, предполагающие использование авионики старых поколений, не соответствующей концепции CNS/ATM. Но даже передовые авиационные компании не могут пока извлечь все выгоды из новых технологий. Потери от неэффективного использования воздушного пространства оцениваются в мире суммой, превышающей 3,5 млрд долларов в год.

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.

Три ипостаси гражданской авионики

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 года 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).

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 года 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.

Летать экономичнее и с меньшим риском

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 том числе 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", то есть 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. При этом пользователи авионики CNS/ATM получают ряд существенных преимуществ:

• ее рабочая зона охватывает всю поверхность земного шара;
• трехмерное определение местоположения и вектора скорости происходит в реальном масштабе времени, то есть практически мгновенно;
• система связи, навигации и наблюдения обладает неограниченной пропускной способностью и высокой помехозащищенностью;
• навигационная бортовая аппаратура стоит относительно недорого;
• имеется возможность автоматически вести самолет, выбирая оптимальные траектории с соблюдением норм продольного, бокового и вертикального эшелонирования на всех этапах полета, включая посадку;
• гарантирован надежный и качественный обмен данными между бортом и наземными службами;
• обеспечивается безопасность полетов, несмотря на повышение интенсивности воздушного движения;
• снижаются эксплуатационные затраты, экономится топливо, уменьшаются нагрузки на экипаж.

Однако стоимость проекта CNS/ATM, как говорилось выше, очень высока, и уровень экономического развития многих государств, очевидно, не позволит внедрить его одновременно на всем земном шаре. Да этого и не требуется. Важно лишь, чтобы были обеспечены плавные переходы между соседними районами полетной информации. Другими словами, при пересечении границы между пространством, где действует CNS/ATM, и областью, где применяются старые средства слежения, данные о полете воздушного судна не должны разниться. Сейчас же случается, что в момент "передачи" диспетчером самолета своим соседям тот как бы скачком меняет эшелон.

Видимо, в ближайшей перспективе воздушные пространства в пределах государственных или региональных границ будут в законодательном порядке объявлены зонами общего пользования для национальных магистральных и грузовых авиаперевозчиков, местной авиации и авиации общего назначения, а также для военно-воздушных флотов. Модернизация национальных средств организации воздушного движения приведет к постепенному повсеместному внедрению системы CNS/АТМ, как только присущие новой концепции преимущества станут доступны большинству представителей воздушного флота той или иной страны.

Г. Анцев, А. Киселев, В. Сарычев (ОАО "Радар ММС").

Журнал "Наука и жизнь".