ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

КРАСНОКУТСКОЕ ЛЕТНОЕ УЧИЛИЩЕ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

СПУТНИКОВАЯ АЭРОНАВИГАЦИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Первое издание

Утверждено

методическим советом ФГОУ Краснокутское летное училище

гражданской авиации в качестве учебного пособия

Красный Кут

2004

Старчиков С.А., Нагорнов А.М., Варфаломеев С.П. Спутниковая аэронавигация. Учебное пособие. Красный Кут: Краснокутское летное училище гражданской авиации, 2004.

Изложены термины, определения, применяемые при эксплуатации спутниковых навигационных систем (СНС). Дан краткий обзор существующих спутниковых навигационных систем. Рассмотрены основные принципы определения навигационных параметров воздушного судна с использованием СНС. Представлены некоторые технические данные GPS и ГЛОНАСС. Определены основные требования, предъявляемые к бортовому оборудованию СНС. Рассмотрены основные режимы работы аэронавигационной GPS системы Flighmate Pro.

Предназначено для летного состава и курсантов летных училищ гражданской авиации.

Учебное пособие написали: С.А.Старчиков – введение, гл. 1,2;3 А.М.Нагорнов – гл. 4,5;

С.П.Варфаломеев – гл. 6.

Ничто из данной документации не может быть скопировано, перефотографировано или перенесено на любой электронный носитель или машинописную форму без письменного разрешения авторского коллектива.

Все права защищены. Первое издание 2004 г. отпечатано в Красном Куте, Российская Федерация.

Опубликованный материал проверен со всей тщательностью. Однако авторы допускают наличие в нем неточностей вследствие ошибок оператора или аппаратуры. Авторы не берут на себя ответственность за возможный ущерб или потери, связанные с использованием такого материала.

Краснокутское летное училище

гражданской авиации

ОГЛАВЛЕНИЕ
	стр.
Оглавление ………………………………………………………………	3
Введение ………………………………………………………………….	5
1. Термины, определения и аббревиатура ………………………...	8
1.1. Термины и определения ……………………………………….	8
1.2. Аббревиатура …………………………………………………..	12
2. Общие сведения о СНС ……………………………………………	15
2.1. Современные СНС ……………………………………………..	15
2.2. Основные технические данные СНС …………………………	17
2.3. Преимущества и недостатки СНС…………………………….	18
2.4. Стратегия ИКАО в области развития аэронавигации……….	19
Контрольные вопросы ………………………………………………	24
3. Системы координат ………………………………………………..	26
3.1. Системы координат, используемые в геодезии ……………...	26
3.2. Системы координат WGS-84 и ПЗ-90…………………………	28
Контрольные вопросы ………………………………………………	31
4. Принципы определения навигационных параметров воздушного судна в СНС ………………………………………………….	32
4.1. Общие принципы функционирования СНС.…………………	32
4.2. Физико-технические принципы функционирования СНС…..	33
4.3. База аэронавигационных данных, используемая в бортовой аппаратуре СНС…………………………………………………………..	42
Контрольные вопросы ………………………………………………	47
5. Классификация бортового оборудования СНС ………………..	48
5.1. Основные требования к бортовому оборудованию СНС …...	48
5.2. Классификация бортового оборудования СНС ……………...	50
5.3. Автономный контроль целостности приемника……………..	52
Контрольные вопросы ………………………………………………	53
6. Эксплуатация бортового оборудования СНС для целей аэронавигации..............................................................................................	54
6.1. Основные задачи, решаемые с помощью бортового оборудования СНС……………………………………………………………...	54
6.2. Назначение, комплект оборудования и технические характеристики Flightmate Pro…………………………………………………	57
6.3. Режимы работы Flightmate Pro………………………………..	59
6.4. Навигация с начала маршрута ………………………………...	70
6.5. Навигация с любого участка маршрута ………………………	71
Контрольные вопросы……………………………………………….	72
Литература …………………………………………………………...	73

ВВЕДЕНИЕ

Существующая система навигации ориентирована на наземные навигационные средства наведения, например радиомаяки VOR, NDB или приводные радиостанции, расположенные в пунктах маршрута. Эта система не обладает достаточной гибкостью, в результате чего воздушное пространство часто используется неэффективно, поскольку его эксплуатация полностью зависит от размещения наземных средств навигации.

В начале 80-х годов международная организация гражданской авиации (ИКАО) признала неспособность действующих аэронавигационных систем удовлетворить будущие потребности гражданской авиации. В связи с этим был учрежден специальный комитет по будущим аэронавигационным системам (FANS) для разработки совершенно новой аэронавигационной системы завтрашнего дня, ориентированной на применение спутниковых технологий и компьютеров. Ввиду неоспоримых технических и экономических преимуществ ИКАО приняло решение о создании всемирной спутниковой системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения (CNS/ATM).

Ядром системы CNS/ATM является глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), которая функционирует на основе использования созвездия спутников GPS и ГЛОНАСС. Система GNSS постепенно заменит все навигационные системы, используемые в настоящее время, и станет единственным средством, обеспечивающим навигацию на всех этапах полета, включая обеспечение точного захода на посадку. Переход к системе CNS/ATM станет самой крупной программой, которую когда-либо приходилось решать мировому сообществу.

Процесс навигации на воздушном судне начинается с момента взлета и заканчивается после приземления и в этой связи в концепции CNS/ATM навигации принадлежит особое место. Полет можно выполнить без связи, без наблюдения со стороны органа обслуживания воздушного движения, однако без осуществления навигации не выполняется ни один полет.

Существуют различные определения термина "навигация" и "аэронавигация".

Навигация – способ наведения воздушного судна для выполнения полета от одного известного местоположения к другому известному местоположению [5]. Это определение, к примеру, ИКАО заимствовало из RTCA/DO-208, т.к. в документах ИКАО термин "навигация" отсутствует. Приведенный выше термин не совсем точен, т.к. в нем отсутствует такой важный элемент навигации как осуществление навигации по времени. А, кроме того, коль речь идет о навигации применительно к воздушным судам, а не морским, то в дальнейшем вполне уместно будет использовать термин "аэронавигация".

Аэронавигация – управление пространственно-временной траекторией движения воздушного судна, осуществляемое летным экипажем в полете.

С появлением спутниковых навигационных систем (СНС) на борту воздушного судна процесс навигации упростился, нагрузка на членов летного экипажа значительно снизилась, а точность навигации по сравнению с применением традиционных средств навигации заметно повысилась.

Работая с документами ИКАО, авторы постарались переработать материалы по вопросам СНС таким образом, чтобы у читателя было полное представление не только о принципах определения навигационных параметров в СНС, системах координат применяемых в СНС, но и о практическом применении бортового оборудования СНС для целей аэронавигации на примере аэронавигационной GPS системы Flighmate Pro.

При написании учебного пособия авторы постарались изложить материал таким образом, чтобы он был доступен для курсантского состава при изучении раздела «Спутниковая навигация» и для летного состава при проведении теоретических занятий для получения первоначального допуска к полетам с бортовым оборудованием СНС.

1. Общие сведения о снс

1. Термины и определения

Термины и определения взяты из документов ИКАО [1, 3], США [2] и России [4].

Автономный контроль целостности в приемнике (RAIM). Функция процессора бортового приемника GNSS, обеспечивающая автономный контроль целостности сигналов навигационных спутников.

Геоид. Эквипотенциальная поверхность в гравитационном поле Земли, совпадающая с невозмущенным средним уровнем моря (MSL) и его продолжением под материками.

Геометрическое снижение точности (GDOP). Относительная величина ошибки определения местоположения с помощью системы, формирующей несколько семейств боковых поверхностей положения. Точнее говоря, это - отношение среднеквадратической ошибки определения местоположения к среднеквадратическому значению ошибок измерения в предположении, что все составляющие ошибки измерения статистически независимы, имеют нулевое математическое ожидание и одно и то же стандартное распределение. GDOP представляет собой показатель совершенства, с точки зрения наблюдателя, геометрических характеристик расположения источников сигналов, формирующих указанные боковые поверхности положения. Низкое значение GDOP является желательным, высокое - нет. Применительно к системе LORAN-C геометрическое снижение точности - это показатель точности определения координат в горизонтальной плоскости, а для спутниковых навигационных систем - это показатель общей точности определения местоположения и показатель точности в конкретный момент времени.

Геостационарная орбита. Определение, относящееся к экваториальной орбите спутника, обеспечивающей его постоянное положение относительно конкретной фиксированной точки отсчета на земной поверхности. (Спутники системы GPS и ГЛОНАСС не являются геостационарными). В некоторых предлагаемых проектах обеспечения целостности используются геостационарные спутники.

Геоцентрическая система координат. Пространственная прямоугольная система координат (Х, Y, Z) началом которой является центр массы Земли.

Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS). Всемирная система определения местоположения и времени, которая включает одно или несколько созвездий спутников, бортовые приемники, а также систему контроля целостности и дополнена функциональными элементами, необходимыми для обеспечения навигационных характеристик (RNP), требуемых для выполняемого этапа полета. Работа GNSS обеспечивается с помощью GPS и/или ГЛОНАСС.

Глобальная орбитальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Навигационная система, использующая передачу сигналов со спутников; предоставлена и обслуживается Российской Федерацией и доступна для пользователей гражданской авиации.

Глобальная система определения местоположения (GPS). Навигационная система, использующая передачу сигналов со спутников; предоставлена и обслуживается Соединенными Штатами Америки и доступна для пользователей гражданской авиации.

Референц-эллипсоид. Эллипсоид вращения принятых размеров, определенным образом установленный в теле Земли.

Система управления полетом (FMS). Комплексная система, которая включает в себя бортовой датчик, приемник и вычислитель с базой навигационных данных и данных о летно-технических характеристиках воздушного судна и выдает данные о характеристиках и наведении RNAV на дисплей и для ввода в автоматическую систему управления полетом.

Спутниковая система функционального дополнения (SBAS). Система функционального дополнения с широкой зоной действия, в которой пользователь принимает дополнительную информацию непосредственно от спутникового передатчика.

Стандартная служба определения местоположения. Навигационные сигналы, предоставляемые гражданским пользователям и обеспечиваемые спутниковой системой Соединенных Штатов GPS (в отличие от служб точного определения местоположения (PPS), предназначенных для военных целей).

Точность. Степень соответствия расчетного или измеренного значения истинному значению.

Псевдодальность. Расстояние от пользователя до спутника плюс погрешность, вносимая независимым смещением начала отсчета времени в часах пользователя. При наличии сигналов четырех спутников можно вычислить и местоположение, и эту погрешность. Если известно смещение часов пользователя, то для вычисления местоположения достаточно сигналов трех спутников.

Псевдоспутник. Наземное функциональное дополнение GNSS, которое обеспечивает передачу на радиочастотах спутниковых сигналов GNSS дополнительного навигационного сигнала, используемого для измерения дальности. Помимо этого, данное функциональное дополнительное средство может обеспечивать передачу дифференциальных поправок GNSS.

Угол маски. Фиксированный угол возвышения относительно горизонта пользователя, ниже которого спутники игнорируются программным обеспечением приемника. Углы маски применяются в основном при анализе характеристик GNSS и используются в некоторых моделях приемников. Угол маски определяется характеристиками приемника, мощностью передаваемого сигнала при малых возвышениях, чувствительностью приемника и допустимыми при малых возвышениях ошибками.

Целостность. Способность системы выдавать пользователю своевременное предупреждение в тех случаях, когда ее нельзя использовать для навигации.

Эксплуатационная готовность. Эксплуатационная готовность навигационной системы характеризуется долей времени в процентах, в течение которого можно пользоваться предоставляемыми ею видами обслуживания. Эксплуатационная готовность является показателем способности системы обеспечить использование предоставляемого ею обслуживания в установленной зоне действия. Эксплуатационная готовность сигнала характеризуется долей времени в процентах, в течение которого можно использовать навигационные сигналы, передаваемые внешними источниками. Она является функцией как физических характеристик окружающей среды, так и технических возможностей передающих средств.