Методы выбора траектории полета на основе RNP

Введение

Метод выбора траектории полета воздушного судна.

Требуемая производительность навигации (RNP) – это тип навигации, основанной на производительности (PBN), который позволяет воздушному судну выполнять полет по заданной траектории между двумя точками в пространстве, определенными в трех измерениях.

Точность навигации

Системы аэронавигации (RNAV) и RNP в своей основе схожи. Ключевое различие между ними заключается в требовании к мониторингу и оповещению о производительности на борту. Навигационная спецификация, включающая требование к мониторингу и оповещению о навигационной производительности на борту, называется спецификацией RNP. Спецификация, не имеющая такого требования, называется спецификацией RNAV. Следовательно, если радиолокационный контроль со стороны УВД не предоставляется, безопасная навигация с учетом рельефа местности должна осуществляться самоконтролем пилота, и вместо RNAV следует использовать RNP. RNP также определяет требуемый уровень производительности для конкретной процедуры или конкретного участка воздушного пространства. RNP 10 означает, что навигационная система должна быть способна определять свое положение в пределах круга радиусом 10 морских миль. RNP 0,3 означает, что навигационная система воздушного судна должна быть способна определять свое положение в пределах круга радиусом 3/10 морской мили. Различия между этими системами обычно обусловлены избыточностью бортовых навигационных систем. Связанный термин – ANP, что означает «фактическая навигационная производительность». ANP относится к текущей производительности навигационной системы, в то время как «RNP» относится к требуемой точности для данного участка воздушного пространства или конкретной инструментальной процедуры. Некоторые участки океанического воздушного пространства имеют значение RNP способности 4 или 10. Уровень RNP, на который способно воздушное судно, определяет необходимое расстояние между воздушными судами. Повышенная точность бортовых систем RNP представляет собой значительное преимущество по сравнению с традиционными нерадарными условиями, поскольку количество воздушных судов, которые могут поместиться в объеме воздушного пространства на определенной высоте, является квадратом числа требуемых интервалов; то есть, чем ниже значение RNP, тем ниже требуемые стандарты разделения, и, как правило, тем больше воздушных судов может поместиться в объеме воздушного пространства без потери необходимого разделения. Это является не только большим преимуществом для организации воздушного движения, но и открывает значительные возможности для экономии средств авиакомпаниям, выполняющим полеты над океанами, благодаря менее строгим маршрутам и более доступным высотам. Заходы на посадку RNP со значениями RNP, в настоящее время сниженными до 0,1, позволяют воздушным судам следовать по точным трехмерным криволинейным траекториям полета в загруженном воздушном пространстве, вблизи районов, чувствительных к шуму, или над сложным рельефом местности. В 2005 году Alaska Airlines стала первой авиакомпанией, внедрившей заходы на посадку RNP в Национальный аэропорт Рейгана для снижения загруженности. В апреле 2009 года Alaska Airlines стала первой авиакомпанией, получившей одобрение от FAA на самостоятельную валидацию своих заходов на посадку RNP. С 2009 года регулирующие органы в Перу, Чили и Эквадоре внедрили более 25 процедур захода на посадку RNP AR, разработанных совместно с LAN Airlines. Преимуществами стали сокращение выбросов парниковых газов и улучшение доступности аэропортов, расположенных в гористой местности. Использование заходов на посадку RNP AR в Куско, недалеко от Мачу-Пикчу, позволило сократить количество отмененных рейсов из-за неблагоприятных погодных условий на 60 процентов. В октябре 2011 года Boeing, Lion Air и Главное управление гражданской авиации Индонезии провели валидационные полеты для тестирования специально разработанных процедур Required Navigation Performance Authorization Required (RNP AR) в двух аэропортах со сложным рельефом местности, Амбон и Манадо (Индонезия), став пионерами в использовании технологии точной навигации RNP в Южной Азии.

Area navigation (RNAV) and RNP systems are fundamentally similar. The key difference between them is the requirement for on board performance monitoring and alerting. A navigation specification that includes a requirement for on board navigation performance monitoring and alerting is referred to as an RNP specification. One not having such a requirement is referred to as an RNAV specification. Therefore, if ATC radar monitoring is not provided, safe navigation in respect to terrain shall be self monitored by the pilot and RNP shall be used instead of RNAV. RNP also refers to the level of performance required for a specific procedure or a specific block of airspace. An RNP of 10 means that a navigation system must be able to calculate its position to within a circle with a radius of 10 nautical miles. An RNP of 0.3 means the aircraft navigation system must be able to calculate its position to within a circle with a radius of 3/10 of a nautical mile. The differences in these systems are typically a function of on board navigational system redundancies. A related term is ANP which stands for "actual navigation performance." ANP refers to the current performance of a navigation system while "RNP" refers to the accuracy required for a given block of airspace or a specific instrument procedure. Some oceanic airspace has an RNP capability value of 4 or 10. The level of RNP an aircraft is capable of determines the separation required between aircraft with respect to distance. Improved accuracy of on board RNP systems represent a significant advantage to traditional non radar environments, since the number of aircraft that can fit into a volume of airspace at any given altitude is a square of the number of required separation; that is to say, the lower the RNP value, the lower the required distance separation standards, and in general, the more aircraft can fit into a volume of airspace without losing required separation. This is not only a major advantage for air traffic operations, but presents a major cost savings opportunity for airlines flying over the oceans due to less restrictive routing and better available altitudes. RNP approaches with RNP values currently down to 0.1 allow aircraft to follow precise three dimensional curved flight paths through congested airspace, around noise sensitive areas, or through difficult terrain. In 2005, Alaska Airlines became the first airline to utilize RNP approaches into Reagan National Airport to avoid congestion. In April 2009, Alaska Airlines became the first airline to gain approval from the FAA to validate their own RNP approaches. Since 2009, regulators in Perú, Chile, and Ecuador have deployed more than 25 RNP AR approach procedures, designed in conjunction with LAN Airlines. Benefits included reduction in greenhouse gases emissions and improved accessibility to airports located on mountainous terrain. The use of RNP AR approaches in Cusco, near Machu Picchu, has reduced cancellations due to foul weather by 60 percent on flights operated by LAN. In October 2011 Boeing, Lion Air, and the Indonesian Directorate General of Civil Aviation, performed validation flights to test tailor made Required Navigation Performance Authorization Required (RNP AR) procedures at two terrain challenged airports, Ambon and Manado, Indonesia as pioneering the use of RNP precision navigation technology in South Asia.

Основанные на подходах RNP

Вдохновленный белой книгой 2011 года, ИКАО опубликовал в ноябре 2018 года стандарт Established on RNP Authorization Required (EoR) для снижения интервалов между параллельными взлетно-посадочными полосами, повышения пропускной способности воздушного движения при одновременном сокращении шума, выбросов и пройденного расстояния. Подобно тому, как это было сделано в аэропорту Денвер, его внедрение в аэропорту Калгари заняло более трех лет, что позволило снизить требования к финальному заходу с , до перехода к операциям, основанным на траектории полета. Поскольку 40% прибывающих самолетов оснащены для выполнения процедур RNP AR, 3000 заходов RNP AR в месяц позволят сэкономить , а в сочетании с непрерывным снижением, сократят выбросы парниковых газов на 2500 метрических тонн в первый год.

Назначение

Для океанических, удаленных, маршрутных и терминальных операций спецификация RNP обозначается как RNP X, например, RNP 4. Спецификации навигации при заходе на посадку охватывают все сегменты инструментального захода на посадку. Спецификации RNP обозначаются с использованием RNP в качестве префикса и сокращенного текстового суффикса, например, RNP APCH (для захода на посадку по RNP) или RNP AR APCH (для захода на посадку, требующего авторизации RNP).

Требования к мониторингу и оповещению о результатах

Требования к мониторингу производительности и оповещению для RNP 4, Basic RNP 1 и RNP APCH имеют общую терминологию и область применения. Каждая из этих спецификаций включает требования к следующим характеристикам:
Точность: Требование к точности определяет 95% общей системной ошибки (TSE) для тех измерений, где указано требование к точности. Требование к точности гармонизировано с навигационными спецификациями RNAV и всегда равно значению точности. Уникальной особенностью спецификаций навигации RNP является то, что точность – одна из характеристик производительности, подлежащих мониторингу. Мониторинг производительности: воздушное судно или комбинация воздушного судна и пилота должны контролировать TSE и выдавать предупреждение, если требование к точности не выполняется или если вероятность превышения TSE в два раза значения точности больше, чем 10−5. В той степени, в которой для выполнения этого требования используются операционные процедуры, процедуры экипажа, характеристики оборудования и установка оцениваются на предмет их эффективности и эквивалентности. Отказы оборудования воздушного судна: Отказы оборудования воздушного судна рассматриваются в рамках правил летной годности. Отказы классифицируются по степени тяжести воздействия на воздушное судно, и система должна быть спроектирована для снижения вероятности отказа или смягчения его последствий. Учитываются как неисправности (оборудование работает, но не обеспечивает надлежащую выходную мощность), так и потеря работоспособности (оборудование перестает функционировать). Требования к дублированию системы определяются исходя из обеспечения непрерывности операций (например, океанических и удаленных полетов). Требования к характеристикам отказов оборудования воздушного судна не являются уникальными для спецификаций навигации RNP. Отказы сигналов в пространстве: Характеристики сигналов в пространстве навигационных сигналов находятся в зоне ответственности поставщика навигационных услуг (ANSP). Общий эффект спецификаций навигации RNP заключается в ограничении распределения TSE. Поскольку ошибка определения траектории считается пренебрежимо малой, требование к мониторингу сводится к двум другим компонентам TSE, а именно: технической ошибке полета (FTE) и ошибке навигационной системы (NSE). Предполагается, что FTE является эргодическим стохастическим процессом в пределах заданного режима управления полетом. В результате распределение FTE остается постоянным во времени в пределах заданного режима управления полетом. Однако, в отличие от этого, распределение NSE изменяется во времени из-за ряда меняющихся характеристик, в частности:
Выбранные навигационные датчики: Навигационные датчики, используемые для определения местоположения, такие как глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) или DME/DME. Относительная геометрия положения воздушного судна по отношению к вспомогательным навигационным средствам: Все радионавигационные средства обладают этой базовой изменчивостью, хотя конкретные характеристики меняются. На производительность GNSS влияет относительная геометрия спутников по отношению к воздушному судну. На решения навигации DME/DME влияет угол между двумя DME на воздушном судне (90° является оптимальным) и расстояние до DME, поскольку дальномер DME воздушного судна может иметь возрастающие ошибки дальности с увеличением расстояния. Инерциальные эталонные устройства: Ошибки увеличиваются со временем с момента последнего обновления.

The performance monitoring and alerting requirements for RNP 4, Basic RNP 1 and RNP APCH have common terminology and application. Each of these specifications includes requirements for the following characteristics:
Accuracy: The accuracy requirement defines the 95% Total System Error (TSE) for those dimensions where an accuracy requirement is specified. The accuracy requirement is harmonised with the RNAV navigation specifications and is always equal to the accuracy value. A unique aspect of the RNP navigation specifications is that the accuracy is one of the performance characteristics that is monitored. Performance monitoring: The aircraft, or aircraft and pilot combination, is required to monitor the TSE and to provide an alert if the accuracy requirement is not met or if the probability that the TSE exceeds two times the accuracy value is larger than 10−5. To the extent operational procedures are used to satisfy this requirement, the crew procedure, equipment characteristics, and installation are evaluated for their effectiveness and equivalence. Aircraft failures: Failure of the aircraft equipment is considered within airworthiness regulations. Failures are categorised by the severity of the aircraft level effect, and the system must be designed to reduce the likelihood of the failure or mitigate its effects. Both malfunction (equipment operating but not providing appropriate output) and loss of function (equipment ceases to function) are addressed. Dual system requirements are determined based on operational continuity (e. g. oceanic and remote operations). The requirements on aircraft failure characteristics are not unique to RNP navigation specifications. Signal in space failures: Signal in space characteristics of navigation signals are the responsibility of the ANSP. The net effect of RNP navigation specifications is to provide bounding of the TSE distribution. Since path definition error is assumed to be negligible, the monitoring requirement is reduced to the other two components of TSE, i. e. flight technical error (FTE) and navigation system error (NSE). It is assumed that FTE is an ergodic stochastic process within a given flight control mode. As a result, the FTE distribution is constant over time within a given flight control mode. However, in contrast, the NSE distribution varies over time due to a number of changing characteristics, most notably:
Selected navigation sensors: The navigation sensors used to estimate position, such as a Global Navigation Satellite System (GNSS) or DME/DME. Relative geometry of the aircraft position to the supporting navigation aids: All radio navaids have this basic variability, although the specific characteristics change. GNSS performance is affected by the relative geometry of the satellites compared to the aircraft. DME/DME navigation solutions are affected by the inclusion angle between the two DMEs at the aircraft (90° being optimal) and the distance to the DMEs, since the aircraft DME transponder can have increasing range errors with increasing distance. Inertial reference units: Errors increase over time since last updated.

Океанские и отдаленные континентальные

Океанское и удалённое континентальное воздушное пространство в настоящее время обслуживается двумя навигационными системами, RNAV 10 и RNP 4. Обе в основном используют GNSS для обеспечения навигации в этом воздушном пространстве. Для RNAV 10 не требуется никакого наблюдения со стороны служб управления воздушным движением (ATS). Для RNP 4 используется автоматическая зависимая трансляция (ADS-C).

Континентальный маршрут

Континентальное воздушное пространство в настоящее время поддерживается приложениями RNAV. RNAV 5 используется в регионе Ближнего Востока (MID) и европейском регионе (EUR), но с 2008 года он обозначается как B RNAV (базовый RNAV в Европе и RNP 5 на Ближнем Востоке). В Соединенных Штатах RNAV 2 поддерживает континентальное воздушное пространство в полете. В настоящее время континентальные приложения RNAV поддерживают спецификации воздушного пространства, включающие радиолокационное наблюдение и прямую голосовую связь между диспетчером и пилотом.

Воздушное пространство терминала: прибытие и вылет

Существующие концепции воздушного пространства терминалов, включающие заходы на посадку и вылеты, поддерживаются приложениями RNAV. В настоящее время они используются в Европейском регионе (EUR) и Соединенных Штатах. Европейское приложение RNAV для воздушного пространства терминалов известно как P RNAV (Точный RNAV). Хотя спецификация RNAV 1 обладает общей навигационной точностью с P RNAV, эта региональная навигационная спецификация не соответствует всем требованиям спецификации RNAV 1. С 2008 года приложение RNAV для воздушного пространства терминалов в Соединенных Штатах, ранее известное как US RNAV Type B, было приведено в соответствие с концепцией PBN и теперь называется RNAV 1. Базовый RNP 1 был разработан главным образом для применения в терминальном воздушном пространстве с низкой плотностью и без радиолокационного наблюдения. В будущем ожидается разработка дополнительных приложений RNP как для воздушного пространства маршрута, так и для воздушного пространства терминалов.

Подход

Концепции захода на посадку охватывают все сегменты инструментального захода, то есть начальный, промежуточный, финальный и уход на второй круг. Спецификации RNP APCH требуют стандартной навигационной точности 1,0 морской мили в начальном, промежуточном и сегментах ухода на второй круг и 0,3 морской мили в финальном сегменте. Как правило, для этой фазы полета характерны три типа применения RNP: новые процедуры для полос, которые ранее не обслуживались инструментальными процедурами, процедуры, заменяющие или служащие резервными для существующих инструментальных процедур, основанных на различных технологиях, и процедуры, разработанные для улучшения доступа к аэропорту в сложных условиях (RNP APCH и RNP AR APCH). Заходы RNP с точностью 0,3 и 0,1 морской мили в аэропорту Куинстаун (Новая Зеландия) являются основными подходами, используемыми авиакомпаниями Qantas и Air New Zealand как для международных, так и для внутренних рейсов. Из-за рельефа местности заходы по ILS невозможны, а стандартные заходы по VOR/DME имеют ограничения по снижению, превышающие 2000 футов над уровнем аэродрома. Процедуры RNP при заходах на посадку и вылете следуют изогнутым траекториям ниже уровня местности.

Специальные разрешения для воздушных судов и экипажей

Процедуры захода на посадку по приборам RNP с обязательным разрешением или RNP AR (ранее известные как процедуры, требующие специальной квалификации воздушного судна и экипажа, или SAAAR) основаны на концепции NAS, ориентированной на эксплуатационные характеристики. Определены требования к эксплуатационным характеристикам для выполнения захода на посадку, и воздушные суда сертифицируются в соответствии с этими требованиями. Традиционные зоны оценки препятствий для наземных средств навигации основаны на заранее определенной способности воздушного судна и навигационной системы. Критерии RNP AR для оценки препятствий являются гибкими и предназначены для адаптации к уникальным условиям эксплуатации. Это позволяет устанавливать требования к эксплуатационным характеристикам, специфичные для каждой процедуры захода на посадку. Операционные требования могут включать в себя обход рельефа местности и препятствий, предотвращение конфликтов в воздушном пространстве или учет экологических ограничений. RNP AR APCH определяется как процедура захода на посадку RNP, требующая бокового TSE ниже стандартных значений RNP на любом участке процедуры захода на посадку. Заходы на посадку RNP включают в себя возможности, требующие специальной квалификации воздушного судна и экипажа, аналогичной операциям ILS категорий II/III. Все заходы на посадку RNP AR характеризуются уменьшенными зонами оценки боковых препятствий и вертикальными поверхностями обеспечения безопасности полетов, основанными на требованиях к эксплуатационным характеристикам воздушного судна и экипажа. Следующие характеристики отличаются от RNP APCH:
RF-сегменты могут использоваться после PFAF (точная фиксация начала финального захода на посадку). Боковые значения TSE могут быть снижены до 0,10 нм на любом участке процедуры захода на посадку (начальном, промежуточном, финальном или ухода на второй круг). При выполнении захода на посадку RNP AR с использованием высоты принятия решения ниже RNP 0,3, отказ одной точки не должен приводить к потере навигационного обеспечения, соответствующего значению RNP, связанному с данным заходом на посадку. Как правило, воздушное судно должно быть оснащено как минимум двумя датчиками GNSS, двумя системами управления полетом, двумя системами воздушных данных, двумя автопилотами и одним инерциальным эталонным блоком. При выполнении захода на посадку RNP AR с уходом на второй круг, выполняемым на высоте ниже RNP 1.0, отказ одной точки не должен приводить к потере навигационного обеспечения, соответствующего значению RNP, связанному с процедурой ухода на второй круг. Как правило, воздушное судно должно быть оснащено как минимум двумя датчиками GNSS, двумя системами управления полетом, двумя системами воздушных данных, двумя автопилотами и одним инерциальным эталонным блоком.

RNP instrument approach procedures with Authorization Required or RNP AR (previously known as Special Aircraft and Aircrew Authorization Required or SAAAR) approach procedures build upon the performance based NAS concept. The performance requirements to conduct an approach are defined, and aircraft are qualified against these performance requirements. Conventional obstacle evaluation areas for ground based navigation aids are based on a predefined aircraft capability and navigation system. RNP AR criteria for obstacle evaluation are flexible and designed to adapt to unique operational environments. This allows approach specific performance requirements as necessary for an approach procedure. The operational requirement can include avoiding terrain and obstacles, de conflicting airspace or resolving environmental constraints. RNP AR APCH is defined as an RNP approach procedure that requires a lateral TSE lower than the standard RNP values on any segment of the approach procedure. RNP approaches include capabilities that require special aircraft and aircrew authorization similar to category II/III ILS operations. All RNP AR approaches have reduced lateral obstacle evaluation areas and vertical obstacle clearance surfaces predicated on the aircraft and aircrew performance requirements. The following characteristics differ from RNP APCH:
RF leg segments may be used after PFAF (precise final approach fix). lateral TSE values as low as 0.10 NM on any segment of the approach procedure (initial, intermediate, final or missed). When conducting an RNP AR approach using a line of minima less than RNP 0.3, no single point of failure can cause the loss of guidance compliant with the RNP value associated with the approach. Typically, the aircraft must have at least dual GNSS sensors, dual flight management systems, dual air data systems, dual autopilots, and a single inertial reference unit. When conducting an RNP AR approach with a missed approach less than RNP 1.0, no single point of failure can cause the loss of guidance compliant with the RNP value associated with a missed approach procedure. Typically, the aircraft must have at least dual GNSS sensors, dual flight management systems, dual air data systems, dual autopilots, and a single inertial reference unit.

Планирование полета

Ручное или автоматическое уведомление о соответствии воздушного судна требованиям для полетов по маршруту обслуживания воздушного движения (ATS), по процедуре или в воздушном пространстве передается в органы управления воздушным движением (УВД) через полетный план.