Анализ проблемы применения систем типа TAWS в целях повышения уровня безопасности полетов ВС

УДК 629.735.015

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ТИПА TAWS В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ВС

Г.А. ФЕДОСЕЕВА

Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.

В статье содержится материал о проблеме по предотвращению столкновений ВС с наземными препятствиями, задачах по разработке систем типа TAWS, их усовершенствование в целях повышения безопасности полетов ВС.

Ключевые слова: безопасность полетов, промышленность, система, цифровая система.

В настоящее время одной из острых проблем в обеспечении безопасного полета является предотвращение столкновений исправных ВС с наземными препятствиями.

Столкновение с землей в контролируемом полете (CFIT) - термин, означающий происшествия, связанные со столкновением ВС с землей, искусственными препятствиями или водой в тех случаях, когда экипаж не мог контролировать местоположение ВС по направлению полета и скорости.

Объединенная Европейская авиационная администрация, в свою очередь, выдвинула требования о том, что системой с функцией оценки рельефа местности в направленности полета должны быть оборудованы ВС, взлетная масса которых составляет 15000 кг и более и вместимостью более 30 пассажиров до 1 октября 2001 года для вновь выпускаемых самолетов и к 1 января 2005 года для находящихся в эксплуатации.

В конце августа 2004 года Европейская конференция гражданской авиации направила письмо в Федеральное агентство воздушного транспорта России с намерениями с 1 января 2005 года запретить полеты в Европейские аэропорты ВС, не оборудованных системой с функцией оценки рельефа местности в направлении полета.

По статистике середины 70-х гг. в мире каждый год терпели катастрофы около 10 самолётов из-за столкновения с подстилающей поверхностью (CFIT), причем эти катастрофы происходили с полностью управляемыми самолетами, пилотируемыми высококвалифицированными летными экипажами.

Авиационная промышленность России серийно выпускала три типа систем предупреждения столкновения с землей класса СППЗ: ССОС - система сигнализации опасной скорости сближения с землей - аналоговая (Ульяновское конструкторское бюро приборостроения); СППЗ-1-2 - система предупреждения приближения земли - аналоговая; СППЗ-85 - цифровая (фирма "Авиаприбор - Восход", Москва). Система ССОС была установлена на всех самолетах отечественного производства: Ил-76ТД, Ил-62М, Ту-134 и Ту-154 всех модификаций, Ан-124-100, Ан-32, Ан-26. В системе ССОС реализовано 4 режима. Вычислителями системы воспринимается информация статического давления на высоте полета, сигналы от радиовысотомера, нормальной перегрузки ny и необжатого положения шасси. Реализуются алгоритмы, связывающие изменения истинной высоты полета и оценку изменения вертикальной Ууби - вертикальная бароинерциальная, Уубри - вертикальная барорадиоинерциальная скорости полёта при необжа-том положении шасси.

При попадании ВС в опасную зону срабатывают два красных светосигнализатора "Опасно. Земля" и звучит сирена. Дальнейшие усовершенствования систем предупреждения столкновения ВС с землей привело к появлению аналоговой системы СППЗ-1-2, в ней реализуется 6 режимов, четыре, аналогичные системе ССОС, и два новых, это 5 и 6 режимы. Режим 5 - чрезмерное снижение ВС ниже глиссады при заходе на посадку по радиомаячным системам ILS или MLS.

Режим 6 - "Проверка относительной барометрической высоты". Режим активен только при заходе на посадку с использованием отсчета относительной барометрической высоты по уровню давления QFE.

Вычислители системы СППЗ-1-2 воспринимают дополнительно информацию по сравнению с вычислителями ССОС: сигналы Er - отклонение ВС ниже глиссады от радиотехнической системы КУРС-МП-70, выпущенного или убранного положения закрылков, высотно-скоростных параметров от системы воздушных сигналов типа СВС (Нбар, Уист, числа М, Тн.в.).

Цифровая система СППЗ-85 в терминологии ICAO - GPWS (Ground Proximity Warning System) также реализует 6 режимов, но с большей точностью и быстродействием.

Системы СППЗ устанавливались на ВС Ан-140, Як-42, Ил-86, Ту-204, Ту-214, а также вместо существующих систем ССОС. Системы типа СППЗ принципиально не могут выдавать сигнализацию ранее, чем за 5-30 с до столкновения с землей, это не всегда позволяет экипажу выйти из опасной ситуации. Системы не представляют достаточной информации экипажу о требуемом характере маневра (просто набор высоты или отворот от препятствий влево, вправо). Кроме того, в полете над горной местностью системы СППЗ не могут обеспечить адекватность сигнализации, вероятность их ложных срабатываний недопустимо высока, это снижает уровень доверия экипажа к сигнализации таких систем.

Из данных анализа типовых авиакатастроф по CFIT за период 1979-2003 гг. (табл. 1) видно, что все 100 % авиакатастроф произошли при большой крутизне склонов гор и очень малом располагаемом времени до удара о гору при принятии решения экипажем (в среднем 12 с). В характеристиках систем I поколения ССОС, СППЗ, GPWS при а > 30° и при tp ~ 15-20 с имеются зоны фатальности и полеты в них приводят к неизбежной гибели ВС и людей. Системы I поколения не могут снять аварийность по CFIT из-за этой зоны, они не соответствуют требованиям ICAO. Эти системы выполняют функции вертикальных интерполяторов и не определяют опасные параметры полета впереди ВС, не имеют функции горизонтальной экстраполяции.

Таблица1

Дата Тип ВС Горы Угол склона горы, а Располагаемое время tpср до удара о гору

1992 г. А320 Вогезы более 30° 15 с GPWS

15.11.1993 г. Ан-124 Аэростар Иран Керман 30-50° 13 с ССОС

12.12.1995 г. Ил-76 Вьетнам более 30° менее 15 с ССОС

7.01.1989 г. Ил-76 Ленинакан более 60° 3-5 с ССОС

3.04.1996 г. Б-737 Дубровник более 40° 10 с GPWS

28.08.1996 г. Ту-154М Шпицберген более 50° 9 с ССОС

декабрь 1995 г. Б-757 Колумбия Кали более 35° 9 с GPWS

23.12.2003 г. Ан-140 Иран Исфахан более 50° 7-10 с СППЗ

1998 г. Як-42 Салоники более 30° 15-17 с ССОС

28.11.1979 г. Д С10-30 Эребус более 30° 15 с GPWS

Вывод: Типовые катастрофы CFIT в 1979-2003 гг. произошли при большой крутизне склонов гор Очень малое время для принятия сенсомотор-ного решения КВ С

В последние годы с бурным развитием цифровой электроники появилась возможность значительно расширить возможности систем СППЗ I поколения за счет использования информации точных навигационных вычислителей ^МБ), цифровых аэронавигационных баз данных и цифрового

рельефа подстилающей поверхности, а также активных работ с отечественной системой спутниковой навигации ГЛОНАСС, планов её широкого коммерческого использования.

Это привело к появлению принципиально нового класса систем предупреждения, для которых используется аббревиатура TAWS - terrain awareness and warning system или СРППЗ - система раннего предупреждения приближения к земле. Для удовлетворения требованиям, предъявляемым к данному классу систем, в них реализуются 6 режимов прежних систем СППЗ (GPWS), a также новые режимы с функциями раннего предупреждения, позволяющими существенно повысить безопасность полёта ВС.

К системам TAWS относятся:

- СРПБЗ - система раннего предупреждения приближения близости земли, разработчик "ВНИИРА - Навигатор", Санкт - Петербург, Россия;

- СРППЗ - система раннего предупреждения приближения к земле, разработчик ЗАО "Транзас", Санкт-Петербург, Россия;

- EGPWS - унифицированная система раннего предупреждения приближения к земле фирмы Honeywell (США);

- T2CAS - аппаратура фирмы ACSS (США).

Системы раннего предупреждения приближения к подстилающей поверхности СРППЗ (TAWS) разнообразны и изготовлены с действующими и перспективными гражданскими авиационными стандартами и рекомендациями ICAO. TAWS - это компьютерная система, обеспечивающая лётный экипаж визуальной и звуковой сигнализацией о непреднамеренном сближении с подстилающей поверхностью с учётом этапа полёта, времени реакции лётного состава и скорости ВС.

Система TAWS (СРППЗ) надёжно работает с современным цифровым бортовым оборудованием и с традиционным аналоговым. Она успешно эксплуатируется на воздушных судах Ту-204, Ту-214, Ту-334, Ил-76 ТД и Ил-76 МД, Як-42, БС-200, Ан-148, Ан-140 и т.д. Спутниковая навигация является основой работы системы, использование GNSS и цифровой базы данных о подстилающей поверхности и препятствиях делает эту систему независимой от метеоусловий. Если ВС не имеет штатных приёмоизмерителей спутниковых навигационных систем (CНС), то система TAWS поставляется со встроенным приёмоизмерителем СНС нового поколения (GPS / ГЛОНАСС). В системе TAWS на основе данных бортовых систем ВС о вертикальной и путевой скоростях, об истинной высоте, путевом угле, пространственных координатах ВС, полученных по данным GNSS, постоянно вычисляется траектория полёта с упреждением более чем на 120 с. Эта траектория соотносится с заложенной в цифровой базе данных информацией о высотах подстилающей поверхности с разрешением 0,5 либо 3 NM при полётах ВС в районе аэродрома или по маршруту соответственно. При этом в вертикальной плоскости рассчитываются две области для оценки степени опасности столкновения с поверхностью земли. Первая область распространяется вдоль линии пути от 20 до 132 с впереди ВС, при этом вырабатываются речевые сообщения "Земля". Вторая область - высокой опасности столкновения с землёй от 8 до 120 с впереди ВС, при этом вырабатывается команда "Тяни вверх" ("Pull up"). В горизонтальной плоскости для оценки степени угрозы столкновения с землёй вычислитель системы TAWS определяет пространство впереди ВС в форме узкого луча шириной 3° по направлению полёта ВС. В системе TAWS дополнительно реализованы следующие функции:

1) оценка рельефа местности в направлении полёта ВС;

2) преждевременное снижение в районе аэродрома при заходе на посадку ВС;

3) отображение характера подстилающей поверхности и искусственных препятствий на многофункциональном индикаторе (МФИ);

4) речевые сообщения.

Функции активны на всех этапах полёта. Составная часть системы TAWS - модуль предупреждения столкновения с землёй GCAM. Он реализует функцию оценки рельефа местности по

направлению полёта, непрерывно определяет соотношение прогнозируемой траектории полёта ВС и рельефа земной поверхности и с упреждением выдаёт экипажу предупреждения о близости земли и рекомендации по уходу от столкновения с ней. Рассчитывается область сигнализации - "виртуальный бампер”. Боковая проекция области сигнализации представлена на рис. 1, вид сверху - на рис. 2. Параметры, определяющие форму и размеры области сигнализации режима, представлены в табл. 2.

Дальность срабатывания 1/1/.{ аварийной сигнализации

------------------------------>

Дальность срабатывания И/-^ предупреждающей сигнализации

Дальность срабатывания аварийной сигнализации

1/1/.£4 Дальность срабатывания предупреждающей сигнализации

Рис. 1

Препятствие

Рис. 2

Таблица 2

Vy Вертикальная скорость ВС

W Путевая скорость ВС

ч Допустимое время реакции пилота

ks кэ = 6 (по умолчанию) кэе (6, 12) - в зависимости от типа ВС

НмБВ Минимальная безопасная высота, зависящая от этапа полёта ВС

Ндоп Запас по высоте, зависящий от этапа полёта ВС

Hmin Минимальный запас по высоте над подстилающей поверхностью для выдачи аварийной сигнализации Дшп= НМБВ1 для Уу > -2,5 м/с Дшп= Нмбв2 + | УуК + 0,2 Уу 2 для Уу < -2,5 м/с

Hmax Максимальный запас по высоте над подстилающей поверхностью для выдачи предупреждающей сигнализации Нтах Ндоп для Уу > —2,5 м/с, Нтах Ндоп + кэ'|Уу| для уу < -2,5 м/с

H1 Запас по высоте над подстилающей поверхностью для срабатывания аварийной сигнализации

Н2 Запас по высоте над подстилающей поверхностью для срабатывания предупреждающей сигнализации

g Угол наклона траектории ВС у = аг^

a а = у (если градиент набора высоты более 10 %), иначе 6°

cS 02 = Ьз = у для Уу > 0; 02 = Ьз = 0 для Уу < 0

Pb to1, to2 Параметры, определяющие вид нижней части границы сигнализации 01 = аг^ (2,5/Ж) для Уу > -2,5 м/с; 01 = |у| для Уу < -2,5 м/с; ¿о1 = (Н1 - ^МБвУ^у^ ¿о1е(6, 20) с; ¡о2 = (Н2 - ^МБвУ^у^ to2е (7, 24) с

Необходимым условием выполнения дополнительных функций является информация о широте и долготе ВС, сигнале целостности данных RAIM от спутниковой системы навигации GNSS, истинной высоты от радиовысотомера, базы данных по аэродромам (обновляется в соответствии с циклами AIREC, т.е. каждые 28 дней), базы данных о рельефе земной поверхности (обновляется не реже одного раза в 6 месяцев). Цифровая модель рельефа создаётся путём обработки фотоснимков ландшафта из космоса в соответствии с рекомендованной ICAO геодезической системой WGS-84.

При этом вычислительное устройство TAWS сравнивает текущую высоту ВС с минимальным допустимым пределом, которым определяется область сигнализации, т.е. реализуется функция Нист. = f (S), S - расстояние от ВС до порога ВПП. Таким образом, математически рассчитывается виртуальная защитная область вокруг каждой ВПП для ВС, находящегося в посадочном положении.

Для отображения подстилающей земной поверхности, представленной в зависимости от степени опасного сближения, в кабине ВС устанавливается многофункциональный цветной дисплей. Например, TDS-ЗбД, А-813, используемый на ВС Ан-124-100, Ил-76ТД, КИНО из системы СЭИ-85 - на ВС Ту-204, Ту-214, Ил-96. По выбору экипажа могут быть установлены различные виды и масштаб отображения рельефа в диапазоне от 10 до 600 км.

В системе TAWS предусмотрены речевые сообщения, которые могут произноситься на русском или английском языках, а также реализуются дополнительные возможности, a именно, предупреждения о превышении угла крена, о сдвиге ветра на малых высотах.

В настоящее время активно ведутся работы по использованию возможностей системы TAWS при нахождении ВС на земле:

- выдаются сообщения о неправильной выставке давления на индикаторе барометрической высоты как при использовании давления QFE, так и QNH;

- отображение картины аэродрома (ВПП, рулёжные дорожки, место стоянки);

- выдаются сообщения о расстоянии до порога полосы на взлёте и посадке, о номере полосы в процессе руления.

Усовершенствование систем TAWS является одним из приоритетных для решения проблем CFIT. У каждой из систем TAWS есть свои достоинства и недостатки как технического, так и политико-экономического характера. Знание и учёт особенностей каждой системы поможет в будущем избежать лишних расходов и повысить уровень безопасности полётов. Наиболее полно проблема CFIT решается при использовании бортовой аппаратуры T2CAS.

Аппаратура T2CAS представляет собой дальнейшее развитие установленной в большом количестве на российских ВС системы предупреждения столкновения в воздухе TCAS-2000 и встроенного модуля предупреждения столкновения с землёй (GCAM - Ground Collision Avoid Moduti).

Такое совмещение функций с дополнительной установкой универсального панорамного дисплея позволит авиакомпаниям, уже имеющим на своих ВС аппаратуру TCAS-2000, уменьшить вес, габариты, время и установку новой системы. Кроме того, аппаратура позволяет легко наращивать функциональные возможности до функций приёмовычислителя GPS, предупреждения о превышении угла текущего крена, обнаружения сдвига ветра, а также транспондера автоматического независимого наблюдателя ADS - B, внедрение которого в РФ уже начато с 2005 г.

Внедрение и эксплуатация в гражданской авиации современных сложных радиоэлектронных средств предотвращения столкновения ВС в воздухе и с земной поверхностью, попадание в зону сдвига ветра требует тщательной подготовки лётных экипажей. При существующем дефиците лётных кадров, необходимости подготовки большого количества пилотов, соответствующим возросшим требованиям по безопасности полётов, в условиях существующих ограничений в преподавательском составе, инфраструктуре учебных заведений профильной авиационной подготовки и финансировании учебных заведений выход представляется в создании учебнотренировочных, мультимедийных средств обучения, в том числе, дистанционного обучения, основанных на компьютерных технологиях, обладающих практически неограниченными возможностями.

Создание и совершенствование компьютерных обучающих систем с элементами тренажёра под конкретный тип ВС позволит повысить эффективность обучения лётных экипажей, сократить расходы на обучение и обеспечить высокий уровень безопасности полётов.

Проблема оборудования ВС системами "искусственного интеллекта" TAWS для решения проблемы по CFIT является правильной, но как показал анализ аварийности за 2005-2010 гг. не вполне достаточной. Основной характеристикой любой системы предупреждения является зона защиты (пространство) вокруг ВС, в которой по информации системы экипажа упреждает столкновение ВС с препятствиями. Анализ математической модели системы TAWS показывает, что защитная зона начинается сразу же за текущими координатами местоположения ВС, т.е. в зоне, где экипаж фатально не может принять сенсомоторное решение. Кроме этого, экипаж может допустить ошибки в эксплуатации системы или быть неуверенным в предоставленной информации, и ВС может войти в фатальную зону. Для повышения эффективности и надежности эксплуатации систем TAWS по проблеме CFIT была бы крайне полезна и необходима совместная работа систем TAWS с вычислителем автомата увода ВС от столкновения с земной поверхностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Международная организация гражданской авиации (ICAO), Doc 4444, ATM/501 "Правила аэронавигационного оборудования", утверждены от 02.07.2007 г.

2. Марков В.И. Воздушная навигация: учебник. - 4-е изд. - Кировоград: ГЛУУ, 2009.

3. Лушников А.С. Бортовые радиоэлектронные системы обеспечения безопасности полетов воздушных судов: учебн. пособие. - Ульяновск: УВАУ ГА (И), 2009.

4. Федеральные авиационные правила (ФАП) "Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации Российской Федерации". Приказ Минтранса России от 31.07.2009 №128.

5. Лушников А.С., Камалов А.У., Федосеева Г.А., Плахов И.А. Системы предупреждения столкновений воздушных судов с земной поверхностью // Проблемы подготовки специалистов для гражданской авиации : сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. 25-26 нояб. 2004 г. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2004. - С. 116-121.

6. Косачевский С.Г., Айдаркин Д.В., Ефимов А.В., Лачинов О.Л., Рознин Б.Н., Федосеева Г.А. Оценка качества тестов, представленных в автоматизированной обучающей системе // Научный Вестник УВАУ ГА. - 2009.

- № 2. - С. 77-82.

7. Антонец Е.В., Федосеева Г.А. Сравнительный анализ системы предупреждения приближения ВС к земле: сб. тр. 4 - й Всероссийской научно - практической конференции с участием стран СНГ. - Ульяновск: УлГТУ, 2004.

- С. 11 - 13.

THE ANALUSIS OF TAWS SYSTEMS USE PROBLEMS IN ORDER OF INCREASING OF

AIRCRAFT SAFETY LEVEL

Fedoseyeva G.A.

The article contains the information about the problems concerning the avoidance of midair-collisions with the obstacles on ground, the aims of creating such systems as TAWS, their improvement in order of increasing of the aircraft safety level, the pecularities of their explotation in flight.

Key words: safety, industry, system, digital system.

Сведения об авторе

Федосеева Галина Александровна, окончила Ульяновский политехнический институт (1967), доцент кафедры авиационной техники АТ УВАУ ГА(И), автор 35 научных работ, область научных интересов - подготовка авиационного персонала ГА.