Гармонизация лётного контроля аэронавигационных средств гражданской авиации России

УДК 656.7.022

ГАРМОНИЗАЦИЯ ЛЁТНОГО КОНТРОЛЯ АЭРОНАВИГАЦИОННЫХ СРЕДСТВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ РОССИИ

Е.Б. ГОРСКИЙ, С.Н. САБУРОВ, А.В. СТАРЫХ

Рассматриваются задачи обеспечения качества сигналов аэронавигационных средств ГА России в соответствии с современными международными стандартами. Затронуты основные направления развития аппаратуры лётного контроля ГА РФ.

Ключевые слова: лётный контроль, проверки, радионавигационные средства, траектория, измерения, конечный участок, заход на посадку, параметры, нормы.

Эксплуатация аэронавигационных средств ГА РФ в соответствии с современными правилами ИКАО напрямую зависит от использования современной аппаратуры лётного контроля, поэтому гармонизация лётного контроля с современными международными правилами эксплуатации аэронавигационных средств является одной из основ их качественной эксплуатации.

Нормирование точности аэронавигационных средств в пространстве определяет требования к применяемым системам траекторных измерений. Чтобы получить характеристики линии курса/глиссады системы посадки (типа ILS или ИЛС - в ГА РФ) или «зубчатости»/«неровности» радионавигационного средства (типа VOR/DME или РМА/РМД - в ГА РФ) нужно с достаточной точностью знать все три координаты средства измерения в проверяемом пространстве.

Современные системы траекторных измерений (СТИ), применяемые при лётном контроле в ГА, бывают двух типов: оптические (ОСТИ) и спутниковые (ССТИ).

Оптические СТИ - самые распространённые и самые точные СТИ. Их существенными ограничениями являются - малая рабочая дальность (до 20 км), зависимость от погодных условий и очень большая сложность измерения дальности до воздушного судна-лаборатории (ВСЛ): применяемая для этих целей лазерная система измерений очень дорога в изготовлении, сложна в разработке, эксплуатации и имеет медицинские ограничения. В силу этого, в ГА РФ СТИ с оптическим (лазерным) каналом измерения дальности никогда не применялись и вряд ли будут применяться. Без наличия канала дальности невозможно измерение точности аэронавигационных средств в соответствии с современными требованиями ИКАО.

Выходом из сложившейся сложной ситуации с обеспечением современных международных требований является применение спутниковых СТИ (ССТИ), использующих в качестве основы Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS/GALILLEO. Для улучшения точности ГНСС в спутниковой СТИ применяют специализированные дополнения -станции поправок (СП), которые нельзя путать с ЛККС (GBAS) и т.п., т.к. СП решают исключительно измерительные задачи, которые во многом противоположны задачам обеспечения посадки ВС.

ССТИ может работать в стандартном (без дифференциальной коррекции), в дифференциально-кодовом режиме с коррекцией псевдодальностей и в дифференциально-фазовом режиме с разрешением фазовой неоднозначности. Дифференциальный режим - технический приём, основанный на сильной пространственно-временной корреляции значительной части погрешностей ГНСС.

В дифференциально-кодовом режиме с коррекцией псевдодальностей СП по введенным геодезическим координатам рассчитывает невязки к измерениям псевдодальностей до спутников - так называемые дифференциальные поправки. Чтобы уменьшить влияние погрешностей

измерений псевдодальностей, приёмники ГНСС сглаживают последние измерениями фазы несущей. По линии передачи данных (ЛПД) СП передает дифференциальные поправки бортовому приёмнику ГНСС, который складывает их с измеренными псевдодальностями и определяет координаты более точно, чем в стандартном режиме. Погрешность дифференциально-кодового режима с коррекцией псевдодальностей составляет единицы метров.

Суть дифференциально-фазового режима состоит в решении навигационной задачи по разностям кодовых и фазовых измерений бортового ГНСС приёмника и ГНСС приёмника на СП. В дифференциально-фазовом режиме СП передает по ЛПД бортовому приёмнику измерения псевдодальностей и фаз несущей. В бортовом приёмнике решается задача местоопределения относительно СП по высокоточным фазовым измерениям и далее бортовой приёмник вычисляет собственные геодезические координаты, получив от СП априорно известные координаты установки её антенны ГНСС. Задача определения положения по измерениям фазы несущей сложна тем, что дольная часть фазы измеряется точно, а целая часть не может быть определена и выставляется в некоторое начальное значение (целочисленное), которое может быть грубо (с кодовой точностью) оценено по псевдодальностям (например, в первоначальный момент измерение фазы несущей принимается эквивалентным псевдодальности), и измерения фазы подвержены как обнаруживаемым сбоям, так и практически неразличимым перескокам на целое число периодов. Таким образом, разности псевдодальностей для общих спутников практически эквивалентны разностям геометрических дальностей с погрешностью единиц метров, а в разностях измеренных фаз для общих спутников присутствует неоднозначность в целом количестве длин волн. Задача сводится к разрешению (фиксации) этой неоднозначности. После разрешения неоднозначностей разность фаз эквивалентна разности геометрических дальностей с погрешностью до единиц сантиметров, что позволяет определить местоположение со сравнимой точностью. При решении задачи вначале по разностям псевдодальностей для общих спутников СП и бортового приёмника определяется приблизительное местоположение, и фильтруются фазовые неоднозначности с последующим целочисленным перебором с целью нахождения целочисленной оценки неоднозначностей. В качестве критерия правильного разрешения неоднозначностей используется отношение сумм квадратов невязок, посчитанных в двух наиболее правдоподобных целочисленных точках.

Погрешность дифференциально-фазового режима с целочисленным разрешением фазовой неоднозначности обычно составляет сантиметры.

Однако поскольку сам процесс фиксации является вероятностным - целочисленная неоднозначность может быть найдена неправильно. При этом ошибка определения местоположения будет в пределах нескольких длин волн несущей сигнала спутника. Дифференциально-фазовый режим с разрешением фазовой неоднозначности обладает «хрупкостью». Кроме отмеченных выше сбоев и перескоков фаз фазовый метод более чувствителен к различиям прохождения сигнала через ионосферу и тропосферу для СП и бортового приёмника, вследствие более высокой точности, с одной стороны, и неоднозначности измерений, с другой. Для устранения этого требуется учитывать модели ионосферы и тропосферы, которые не всегда точно описывают реальные состояния сред, либо оценивать ошибки, вносимые ионосферой, используя измерения на второй частоте, что уменьшает избыточность измерений. Фазовые измерения более подвержены влиянию многолучёвости и помехам сигнала, чем кодовые. Всё это влияет на точность и надёжность режима.

Таким образом применяемая ССТИ может работать в высокоточном (погрешность сантиметрового уровня), но подверженном сбоям дифференциально-фазовом режиме с разрешением

фазовой неоднозначности либо в менее точном (погрешность метрового уровня), но надёжном дифференциально-кодовом режиме. Дифференциально-фазовый режим определения местоположения движущихся объектов в реальном масштабе времени в иностранной литературе называется Real Time Kinematic (RTK) - кинематический режим реального времени.

Следующие меры позволяют повысить точность и надёжность дифференциальных измерений: а) использование двухчастотного метода измерения - приёмники проводят измерения псевдодальностей и фазы несущей в диапазонах L1 и L2. Это, во-первых, позволяет строить разностные схемы измерений, в результате которых возможно оперировать с большими длинами волн, что повышает скорость и вероятность разрешения фазы. Во-вторых, позволяет компенсировать ионосферную задержку сигнала; б) установка антенны ГНСС СП в местах с наиболее открытым небосводом, как можно дальше от отражающих поверхностей, источников помех; в) установка антенны ГНСС на борту ВС в точке с наименьшим затенением, как можно дальше от отражающих поверхностей, бортовых источников помех; г) применение в СП и бортовом приёмнике специальных алгоритмов, выделяющих прямой сигнал на фоне отраженных и повышающих чувствительность на фоне помех.

Вследствие движения спутников по небосводу решение с неправильно разрешенной фазовой неоднозначностью оказывается неустойчивым и не подтверждается при перефиксациях неоднозначностей. Таким образом, при лётной оценке характеристик радионавигационных систем повторяемость результатов будет обеспечена только при правильном разрешении фазовой неоднозначности.

Остановимся на различии применения ГНСС в качестве ССТИ и как средства захода на посадку. ИКАО определила стандарты и рекомендуемую практику для навигационных и посадочных систем, базирующихся на ГНСС, которые описывают структуру систем, протоколы обмена между элементами и включают характеристики сигналов в пространстве: точность, целостность информации, непрерывность и эксплуатационную готовность. Для обеспечения захода на посадку по I категории ГНСС совместно с ЛККС должны обеспечивать: а) погрешность измерения 16 м в горизонтальной плоскости и 4...6 м в вертикальной плоскости (М + 2 СКО); б) риск потери целостности 1...2*10" за заход со временем предупреждения 6 с и порогами 40 м в вертикальной плоскости и 10.15 м в горизонтальной; в) эксплуатационная готовность с вероятностью 0,9900.0,9999; г) риск потери непрерывности обслуживания 1.8*10" за 15 с.

СП ССТИ в противоположность ЛККС не решает задачи навигационного обеспечения при заходе на посадку, а является средством эталонирования. Поэтому она основывается на совершенно других принципах и протоколах. Так, для оценки характеристик РМС III категории ССТИ должна обеспечивать измерения с субметровой погрешностью с вероятностью 0,95. В то же время для ССТИ, в отличие от аэронавигационного применения ГНСС, целостность информации является второстепенной оценкой, так как в случае лётных проверок пилотирование производится по другим средствам или визуально. Аналогично, непрерывность обслуживания и эксплуатационная готовность влияют не на безопасность полётов, а на возможность использования результатов измерения траектории.

Применение ССТИ в ГА России началось с 2003 г. В этом году был принят на оснащение ГА новый тип АСЛК - комплекс АСЛК-Н, использующий для оценки траектории ВСЛ спутниковую СТИ в стандартном, дифференциально-кодовом и дифференциально-фазовом режимах (письмо ФАВТ Минтранса РФ от 31/01/2005 №1.15-2ФАВТ). Вместе с тем, основным рабочим режимом был дифференциально-кодовый. Дифференциально-фазовый режим на тот момент был достаточно нестабильным и его полнофункциональной работы удалось добиться только на

следующем поколении АСЛК с 2009 г. Существенным достижением в этой связи является выполнение лётной проверки в 2011 г. с использованием ССТИ в дифференциально-фазовом режиме по ГНСС ГЛОНАСС (рис. 1 а). Таким образом, аппаратура лётного контроля стала не только средством контроля перспективных аэронавигационных средств, но и потребителем, подтверждающим способность функционирования ГНСС ГЛОНАСС в самом точном на сегодня режиме эксплуатации.

Современные ССТИ, допущенные к использованию в ГА РФ (СП СНС), имеют высокую точность и стабильность измерений. Точностные характеристики СП СНС настолько высоки, что практически не вносят погрешности в общую погрешность измерения даже с использованием специальных приёмников (погрешность СП СНС примерно на порядок меньше). Косвенно высокую точность и стабильность измерений траектории можно оценить по верхним графикам (зелёный трек) рис. 1 а и рис. 2, где наглядно видна гладкость полученной траектории - отсутствие скачков, ступенек, разрывов (т.е. стабильность измерений) при её существенных колебаниях (т.е. отражение действительных значений эволюции ВСЛ с АСЛК).

Задача измерения параметров аэронавигационных средств принципиально отличается от задачи аэронавигации. Для навигации основной задачей является надёжность данных, для измерения - их точность.

Проблему нахождения точных данных решает метрология, где получение величин, максимально близких к истинным, достигается: а) применением специализированных методик, прошедших аттестацию у специалистов ГА; б) использованием специальных технических средств -средств измерений.

Средства измерений (СИ) от других технических средств отличает привязка значений параметров СИ к государственным эталонам и известная стабильность этих значений на заданном (межкалибровочном) интервале времени.

Особенностью СИ ГА является использование величин, не имеющих аналогов у стандартизованных СИ (РГМ, пеленг и т.п.) и, следовательно, не имеющих прямого выхода на стандартизованные единицы величин.

Использование СИ не имеет смысла, если отсутствует единая методика проведения измерений, обеспечивающая единообразие результатов. Таким образом, достоверность измерений достигается путём применения обоих вышеуказанных способов (формально определённая методика измерений + средство измерений).

Первые автоматизированные системы лётного контроля (АСЛК) ещё в СССР создавались на основе штатных приёмников сигналов аэронавигационных средств, градуируемых перед каждым измерением от эталона ГА. Штатные приёмники имеют погрешность больше, чем должны иметь сами аэронавигационные средства (т.е. аэронавигационное средство, по сути, является эталоном для штатного приёмника). Таким образом, без использования специальных процедур (спецотбор, доработка, градуировка) результат измерений с использованием штатной аппаратуры отражает погрешность этой аппаратуры, а не аэронавигационного средства.

Ещё одним существенным недостатком использования штатных приёмников в АСЛК являлась невозможность в полной мере обеспечить измерение параметров аэронавигационных средств. Например, параметры линии курса/глиссады штатной аппаратурой определяются в мкА и мкВ, т.е. в единицах, определяемых, прежде всего, характеристиками самой измерительной аппаратуры. В силу недостоверности результатов, получаемых в указанных единицах (мкА, мкВ и т.п.), в ИКАО современные требования к аэронавигационным средствам нормированы в независимых единицах, характеризующих именно радионавигационное поле - РГМ, мкВ/м и т. д., а их измерения рекомендовано проводить с использованием специальных приёмников для лётных проверок.

Рис. 1 а

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Дата, врЕни ЯП: 17-QS.2012, 14:29: ЦТС

Вид по-ле?а:КРМ ах, Эд кг_

КСЬ»7леьты:КРМ 2, ГРМ :.

Параметры: насдий садку, сучении 7,0

1. Азимута ль нал характеристика КРМ РГМн, (%]

С-, [нкВ/м]

,aji ,ц| в « .и i г -р лр jp

Прннцч»ни?. С не тс Kd Трлсттортьм нцссргнн^' Спугчикрвлн СТИ {дрф.р^жмн L фэзпЬай сння^рнллнн^ - RT К J; сое ч» iJtec :1СЮ-*Г Стд DTii]

г. AjK4>'Tdльмдя каракигркТикЁ ГРИ РГМ:, [%]

3. Графил коэффициентов амплитудной юдцпяции си-гнвла К1>м составлявшими 90 и 150 fu

Графи* суьиы глубин иадулоции сигнала КРМ (СГ№) и положений линии курса (РГМк) РМС

Р! №, [Я РГМ]

Рис. 1 б

РРЗУЛЬТДТЫ ШМРРРНИЙ

Да-га. всеня ЛП: 24,03,3011, 10; 50:4В ЦТС Комплекты ; РМА-1, РМД-1._

Вид полета: Орбита_ ^ранетгы; "по часовой стрелке", радиус орбит 30.0 1гнг;_

1. График отклонений пеленга ('НА (ВПт»} н траектории лолёта ВСЯ в горизонтальной плоскости БП™., [•] вг.

Г « If W ЙР' И Itf lr IP Wf BP 3** MГ W лгл ту- w

Г pi~H-C4JHULL С iKTCM J T~pjCHTûp>4kJÏ MlHCpCMllfl! с nVTHHl'Oll.M С Т И рсжнн!;

гаеч» ffl*7itfSH ДКС!в*,Стд:1евЧ)

2. rp-эфык шффнцненще амплитуд-ной модуляции сигнала опорной и ne р-е н+нон фаз РМЛ

W МГ If W l((i IW m» i«r не1 ïw и? И1 кс »с мс iw m» ж1

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

двт», рент лп:.-?.гт 1" иг Вчл iwiiifl : jBlftMfl_

КщчМПекГи: PMft-l . РМЛ-i.

ПдрН1кн-11Л„: "на p^MOr^HK-, [^.ди^П 1П"

I. График OTKBWMilwH ПЫенгв РМД

СПть, [") 42 г, [jf/t]

'Е* -]Ь >14 -Я -и 4 4 4 : X щ 4 Ч и» и 14 и III 21 I* Н №

СИ(Т1Н4 Трас* г-ерц ы к НМ|«№< С|ИрЮ1|> СГН р£»Н|ч);

стал: !дле ДКС ЮЧ1, СтдИОР1» ]

M iN M

Графил коэффициента амплитудной нодуляцич сигнала спорной и перечанной- фэ1 РМА

I» -И -H 13 -1» -И -t -I » 1 I I " in и 14 " [" ifl î! И И J" !ч и U 1« к 4и 4

Рис. 2

С 2002 г. в ГА России внедряется принципиально иная аппаратура лётного контроля - АСЛК-Н. Современные АСЛК, начиная с АСЛК-Н, основные измерения производят с использованием спе-

циализированной измерительной аппаратуры, т.е. с технической стороны обеспечивается полное соответствие - гармонизация с современными международными нормами ИКАО. Использование специальных приёмников для лётных проверок обеспечило: а) значительно более высокую точность и стабильность без использования внешних калибраторов (типа ЛИМ-70) и ручного управления; б) измерение напряженности поля с требуемой точностью; в) измерение составляющих навигационных сигналов аэронавигационных средств.

Существенным преимуществом специальных приёмников является возможность измерений составляющих сигналов аэронавигационных средств, таких как коэффициент амплитудной модуляции - КАМ и т.п. Образцы измерений КАМ, суммы глубин модуляции - СГМ курсового и глис-садного каналов ИЛС с привязкой к основному навигационному параметру приведены на рис. 1.

Образцы измерений КАМ азимутального канала РМА с привязкой к основному навигационному параметру приведены на рис. 2.

Международными стандартами нормируется модуляция информационных сигналов аэронавигационных средств в пространстве. Важным подтверждением необходимости контроля этих параметров в пространстве являются представленные графики. Если в системе посадке типа ИЛС (рис. 1) значение навигационного сигнала напрямую зависит от амплитудной модуляции, то в азимутальных радиомаяках РМА такая зависимость навигационного сигнала отсутствует. Как следствие - для ИЛС во многих случаях удаётся обеспечить соответствие модуляции при контроле только значений информационных параметров, хотя и это не гарантировано. Для РМА ситуация иная - в большинстве случаев модуляция в пространстве существенно не соответствует международным стандартам.

Качество сигналов аэронавигационных средств - необходимая составляющая гармонизации ЕС ОрВД России с международной системой воздушного движения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Радионавигационные средства, Международная организация ГА: приложение 10 к Конвенции о международной ГА «Авиационная электросвязь». - 2006. - Т. I. - 6-е изд. с поправками 1...84 (19/11/2009).

2. Doc 8071. Руководство по испытаниям радионавигационных средств. - Т. I. Испытания наземных радионавигационных систем. - 4-е изд. - Монреаль: ИКАО, 2000.

3. Клещинов М.В., Никушенко С.П., Сабуров С.Н., Синельников В.В. Создание аппаратуры летного контроля для исследований и испытаний аэронавигационных дополнений ГНСС ГА РФ // Научный Вестник ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация». - 2012. - № 11.

HARMONIZATION OF FLIGHT INSPECTION FOR RADIO NAVIGATION AIDS OF RUSSIAN CIVIL AVIATION

Gorskiy E.B., Saburov S.N., Starykh A.V.

Issues of quality signals for radio navigation aids of Russian civil aviation, in accordance with current international standards are considered. Discussed the main directions of the development of flight control equipment of Russian civil aviation.

Key words: flight inspection, radio navigation aids, trajectory, measurements, final approach segment, accuracy, errors, test.

Сведения об авторах

Горский Евгений Борисович, 1968 г.р., окончил МФТИ (1993), научный сотрудник ГосНИИ «Аэронавигация», автор более 30 научных работ, область научных интересов - пилотажно-навигационное оборудование, спутниковые навигационные системы, лётные испытания.

Сабуров Станислав Николаевич, 1974 г.р., окончил МАИ (2000), научный сотрудник ГосНИИ «Аэронавигация», автор 8 научных работ, область научных интересов - организация воздушного движения, лётные проверки аэронавигационных средств ОрВД, метрология.

Старых Александр Васильевич, 1957 г.р., окончил МИИГА (1985), доктор технических наук, профессор кафедры технической эксплуатации радиотехнических систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - радиолокация, микроволновая радиометрия.