Введение

Метод, используемый в управлении воздушным движением

Основные принципы аэронавигации идентичны общей навигации, которая включает в себя планирование, регистрацию и контроль перемещения аппарата из одного места в другое. Успешная аэронавигация подразумевает управление воздушным судном из точки отправления в пункт назначения без потери ориентации, соблюдения применимых к воздушным судам законов и обеспечения безопасности находящихся на борту и на земле. Аэронавигация отличается от навигации надводных судов рядом факторов: воздушные суда перемещаются с относительно высокой скоростью, что оставляет меньше времени на определение своего местоположения в пути. Воздушные суда, как правило, не могут остановиться в воздухе для неторопливого определения своего местоположения. Безопасность полета ограничена запасом топлива; наземный транспорт, потерявшись, может исчерпать топливо и ожидать спасения. Для большинства воздушных судов спасение в полете невозможно. Кроме того, столкновения с препятствиями обычно фатальны. Поэтому для пилотов критически важно постоянно знать свое местоположение. Методы навигации в воздухе зависят от того, выполняется ли полет по правилам визуальных полетов (VFR) или по правилам полетов по приборам (IFR). В последнем случае пилот ориентируется исключительно по приборам и радио-навигационным средствам, таким как радиомаяки, или по указаниям диспетчера управления воздушным движением, осуществляющего радиолокационный контроль. В первом случае пилот в основном использует метод "вычисленного курса" в сочетании с визуальными наблюдениями (известными как пилотаж), сверяясь с соответствующими картами. Это может быть дополнено радио-навигационными средствами или спутниковыми системами позиционирования.

Планирование маршрута

Первый шаг в навигации – определение пункта назначения. Частный пилот, планирующий полет по правилам визуальных полетов (VFR), обычно использует аэронавигационную карту района, специально разработанную для пилотов. На этой карте чётко обозначены зоны контролируемого воздушного пространства, средства радионавигации и аэродромы, а также опасности для полетов, такие как горы, высокие радиомачты и т.п. Она также содержит достаточное количество наземных ориентиров – городов, дорог, лесных массивов – для облегчения визуальной навигации. В Великобритании CAA публикует серию карт, охватывающих всю территорию страны в различных масштабах, с ежегодным обновлением. Информация также обновляется в уведомлениях для летчиков (NOTAM). Пилот выбирает маршрут, избегая зон контролируемого воздушного пространства, запрещенных и опасных зон, и т.д., для которых полет не разрешен. Выбранный маршрут наносится на карту, а линии, обозначающие его, называются курсом. Цель всей последующей навигации – максимально точно следовать выбранному курсу. Иногда пилот может выбрать следовать по хорошо заметному наземному ориентиру, такому как железнодорожный путь, река, шоссе или береговая линия, на одном из участков маршрута. Во время полета воздушное судно движется относительно воздушной массы, в которой оно находится, поэтому поддержание точного курса относительно земли не так просто, как кажется, если только нет полного штиля – крайне редкое явление. Пилот должен корректировать курс, чтобы компенсировать влияние ветра и следовать по заданному курсу относительно земли. Перед вылетом пилот рассчитывает курсы для каждого участка маршрута, используя прогнозные направления и скорости ветра, предоставляемые метеорологическими службами. Эти данные обычно точны и обновляются несколько раз в день, но из-за непредсказуемости погоды пилот должен быть готов к дополнительным корректировкам в полете. Пилот общей авиации (GA) часто использует для расчета начальных курсов авиационный вычислитель (счётная линейка) или специализированный электронный навигационный компьютер. Основным навигационным прибором является магнитный компас. Стрелка или градус-диск ориентируется по магнитному северу, который не совпадает с истинным севером, поэтому пилот должен учитывать магнитное склонение (деклаинацию). Величина склонения для данной местности также указана на карте полета. После расчета фактических курсов следующим шагом является расчет времени полета для каждого участка. Это необходимо для выполнения точной мёртвой навигации. Пилот также должен учитывать более низкую начальную воздушную скорость на этапе набора высоты при расчете времени достижения крейсерской высоты. Также полезно рассчитать точку начала снижения, то есть момент, когда пилот планирует начать снижение для посадки. Время полета зависит как от желаемой крейсерской скорости самолета, так и от ветра – попутный ветер сократит время полета, встречный – увеличит. Авиационный вычислитель имеет шкалы, облегчающие эти расчеты. Точка невозврата (PNR) – это точка на маршруте, в которой у самолета достаточно топлива, включая обязательный резерв, чтобы вернуться в аэропорт вылета. После этой точки возвращение невозможно, и самолет должен продолжать полет до другого пункта назначения. В отношении обширной территории без аэродромов, например, океана, это может означать точку, до которой безопаснее возвращаться, а после которой – продолжать полет. Аналогично, точка равного времени (ETP), также называемая критической точкой, – это точка на маршруте, до которой и обратно до аэропорта вылета потребуется одинаковое время полета. ETP не зависит от количества топлива, а определяется ветром, влияющим на скорость относительно земли при полете в обоих направлениях. В безветренную погоду ETP находится на полпути между аэропортами, но в реальности её положение смещается в зависимости от скорости и направления ветра. Самолет, пересекающий океан, например, должен рассчитать ETP для различных ситуаций: с одним отказавшим двигателем, при разгерметизации и в нормальном режиме; все эти точки могут находиться в разных местах на маршруте. Например, при отказе двигателя и разгерметизации самолет будет вынужден снизиться до меньшей высоты, что повлияет на расход топлива, крейсерскую скорость и скорость относительно земли. Следовательно, для каждой ситуации будет своя ETP. Коммерческим самолетам запрещено лететь по маршруту, который выходит за пределы досягаемости подходящего аэродрома для посадки в случае аварийной ситуации, например, отказа двигателя. Расчет ETP служит стратегией планирования, обеспечивая экипажу возможность безопасного ухода в случае возникновения чрезвычайной ситуации и перенаправления на выбранный запасной аэродром. Заключительный этап – отметить на карте участки маршрута, над которыми или через которые он пройдет, и составить список всех необходимых действий: какие органы управления воздушным движением (ATC) необходимо связаться, соответствующие частоты, визуальные ориентиры и т.д. Важно также отметить регионы с различными настройками давления, чтобы пилот мог запросить QNH (атмосферное давление) для этих регионов. Наконец, пилот должен иметь в виду альтернативные планы на случай, если маршрут невозможно будет выполнить по каким-либо причинам, наиболее распространенной из которых являются неблагоприятные погодные условия. Иногда пилоту может потребоваться подать план полета для запасного пункта назначения и иметь достаточный запас топлива для него. Чем больше работы пилот выполнит на земле перед вылетом, тем легче ему будет в воздухе.

Планирование по IFR

Навигация по правилам полета по приборам (IFR) аналогична планированию полетов по правилам визуальных полетов (VFR), за исключением того, что задача обычно упрощается благодаря использованию специальных карт, на которых показаны маршруты IFR от радиомаяка к радиомаяку с указанием минимально безопасной высоты (LSALT), пеленгов (в обоих направлениях) и расстояния для каждого маршрута. Пилоты IFR могут летать по другим маршрутам, но в этом случае им необходимо самостоятельно выполнять все необходимые расчеты, причем расчет LSALT является наиболее сложным. Затем пилоту необходимо оценить погодные условия и минимальные требования для посадки в аэропорту назначения, а также требования к альтернативному аэродрому. Пилоты также должны соблюдать все правила, включая их юридическое право на использование конкретной инструментальной схемы захода на посадку в зависимости от того, как давно они последний раз ее выполняли. В последние годы строгие маршруты от радиомаяка к радиомаяку стали заменяться маршрутами, разработанными с использованием методов навигации на основе производительности (PBN). При разработке планов полетов операторы, применяя подход PBN, оценивают общую точность, целостность, доступность, непрерывность и функциональность всех навигационных средств, присутствующих в соответствующем воздушном пространстве. После определения этих параметров оператор разрабатывает маршрут, который является наиболее экономичным с точки зрения времени и расхода топлива, при этом учитываются все применимые требования безопасности, что позволяет максимально использовать возможности как воздушного судна, так и воздушного пространства. При подходе PBN технологии развиваются со временем (например, наземные радиомаяки заменяются спутниковыми), не требуя пересчета базовых операций с воздушным судном. Кроме того, навигационные спецификации, используемые для оценки датчиков и оборудования, доступного в воздушном пространстве, могут быть каталогизированы и распространены для принятия решений о модернизации оборудования и текущей гармонизации различных систем аэронавигации в мире.

В полете

Когда пилот находится в полете, он должен строго следовать плану, иначе легко заблудиться. Это особенно важно при полетах в темноте или над однообразной местностью. Это означает, что пилот должен максимально точно придерживаться рассчитанных курсов, высот и скоростей, если только полет не осуществляется по правилам визуальных полетов. Пилот, выполняющий полет по визуальным правилам, должен регулярно сопоставлять местность с картой (пилотаж), чтобы убедиться в правильности следования по маршруту, хотя корректировки обычно рассчитываются и планируются заранее. Обычно пилот некоторое время летит по запланированному маршруту до точки, где ориентиры на земле легко узнаваемы. Если ветер отличается от ожидаемого, пилот должен соответствующим образом скорректировать курс, но не на основе предположений, а путем мысленного расчета, часто используя правило 1 к 60. Например, ошибка в два градуса на середине участка маршрута может быть исправлена корректировкой курса на четыре градуса в противоположном направлении, чтобы прибыть в конечную точку участка. Это также момент для переоценки расчетного времени прохождения участка. Опытный пилот умеет применять различные техники для поддержания заданного курса. Хотя компас является основным прибором для определения курса, пилоты обычно используют вместо него индикатор направления (DI) – гироскопический прибор, который гораздо стабильнее компаса. Показания компаса используются для периодической коррекции любого отклонения (прецессии) DI. Сам компас покажет устойчивое значение только после того, как самолет достаточно долго полетит ровно и на постоянной высоте, чтобы стрелка успокоилась. Если пилот не может завершить участок маршрута – например, из-за ухудшения погоды или снижения видимости ниже минимально допустимой по его лицензии, он должен изменить маршрут. Поскольку это незапланированный участок, пилот должен уметь мысленно рассчитывать подходящие курсы для достижения новой точки назначения. Использование бортового вычислителя в полете обычно непрактично, поэтому используются упрощенные методы мысленного расчета для получения приблизительных результатов. Ветер обычно учитывается, исходя из предположения, что синус A = A для углов менее 60° (при выражении в долях от 60° – например, 30° составляет 1/2 от 60°, и синус 30° = 0,5), что обеспечивает достаточную точность. Для мысленного вычисления этого используется метод «часового кода». Однако пилот должен быть особенно внимательным при полетах по измененному маршруту, чтобы постоянно контролировать свое местоположение. Некоторые изменения маршрута могут быть временными – например, для обхода локального грозового облака. В таких случаях пилот может на определенное время повернуть на 60 градусов от желаемого курса. После выхода из зоны грозы он может вернуться на 120 градусов и лететь в этом направлении в течение того же времени. Это маневр «звезда ветра», и при отсутствии ветра он вернет пилота на исходный курс, увеличив время полета на продолжительность участка изменения маршрута. Еще одна причина не полагаться на магнитный компас во время полета, помимо периодической калибровки индикатора направления, заключается в том, что магнитные компасы подвержены ошибкам, вызванным условиями полета и другими внутренними и внешними помехами в магнитной системе.

Помощь в навигации

Многие самолеты GA оснащены разнообразными навигационными системами, такими как автоматический радиопеленгатор (ADF), инерциальная навигация, компасы, радионавигация, VOR (VHF всенаправленный радиомаяк) и глобальная навигационная спутниковая система (GNSS). ADF использует не направленные радиомаяки (NDB) на земле для отображения информации о направлении на маяк от воздушного судна. Пилот может использовать этот пеленг для проведения линии на карте, показывающей направление на маяк. Используя второй маяк, можно провести две линии и определить местоположение воздушного судна в точке их пересечения. Это называется взаимным пеленгом. В качестве альтернативы, если траектория полета проходит непосредственно над маяком, пилот может использовать прибор ADF для поддержания курса относительно маяка, однако следование непосредственно за показаниями прибора – плохая практика, особенно при сильном боковом ветре – фактическая траектория полета будет спирально сближаться с маяком, а не соответствовать запланированному курсу. NDB также могут выдавать неверные показания из-за использования очень длинных волн, которые легко изгибаются и отражаются от рельефа местности и атмосферы. NDB по-прежнему широко используются в качестве распространенного средства навигации в некоторых странах с небольшим количеством навигационных средств. VOR – более совершенная система, которая до сих пор является основной системой аэронавигации для воздушных судов, выполняющих полеты по приборам в странах с развитой навигационной инфраструктурой. В этой системе маяк излучает специальный модулированный сигнал, состоящий из двух синусоидальных волн, сдвинутых по фазе. Разница фаз соответствует фактическому пеленгу относительно магнитного (в некоторых случаях истинного) севера от станции до приемника. В результате приемник может точно определить пеленг на станцию. Взаимный пеленг снова используется для определения местоположения. Многие станции VOR также оснащены дополнительным оборудованием, называемым DME (измеритель расстояния), которое позволяет приемнику определить точное расстояние до станции. В сочетании с пеленгом это позволяет определить точное местоположение только по одному маяку. Для удобства некоторые станции VOR также передают местную информацию о погоде, которую пилот может прослушать, например, данные, генерируемые автоматизированной системой наблюдения за поверхностью. VOR, объединенный с DME, обычно является компонентом системы TACAN. До появления GNSS небесная навигация также использовалась обученными штурманами на военных бомбардировщиках и транспортных самолетах в случае отключения всех электронных навигационных средств во время войны. Изначально штурманы использовали астрокупол и обычный секстант, но с 1940-х по 1990-е годы использовался более обтекаемый перископический секстант. С 1970-х годов авиалайнеры использовали инерциальные навигационные системы, особенно на межконтинентальных маршрутах, пока в 1983 году не был сбит рейс 007 Korean Air Lines, что побудило правительство США сделать GPS доступным для гражданского использования. Наконец, воздушное судно может контролироваться с земли с использованием данных наблюдения, например, с радаров или многостороннего наблюдения. Диспетчеры воздушного движения могут передавать пилоту информацию для определения местоположения или непосредственно сообщать ему координаты воздушного судна, в зависимости от уровня предоставляемого обслуживания. Использование GNSS в воздушных судах становится все более распространенным. GNSS обеспечивает высокоточную информацию о местоположении, высоте, курсе и скорости воздушного судна. GNSS предоставляет пилотам GA навигационную точность, ранее доступную только большим самолетам, оснащенным RNAV. В последнее время многие аэропорты включают в себя заходы на посадку по приборам с использованием GNSS. Заходы на посадку GNSS могут быть наложены на существующие точные и неточные заходы на посадку или представлять собой самостоятельные заходы на посадку GNSS. Заходы на посадку с минимальной высотой принятия решения обычно требуют дополнения GNSS второй системой, например, системой WAAS (Wide Area Augmentation System) FAA.

Навигатор полета

Гражданские летные навигаторы (в основном устаревшая должность в составе экипажа, также называемая «воздушным навигатором» или «бортовым навигатором») использовались на старых самолетах, как правило, с конца 1910-х по 1970-е годы. Этот член экипажа, иногда два специалиста по навигации для некоторых рейсов, отвечал за навигацию по маршруту, включая счисление пути и астронавигацию. Это было особенно важно при полетах над океанами или другими большими водными пространствами, где изначально не было доступных средств радиосвязной навигации. (В настоящее время спутниковое покрытие обеспечивается по всему миру). С появлением сложных электронных и ГНСС-систем должность навигатора была упразднена, а её функции перешли к пилотам, имеющим двойную лицензию навигатора, а затем – к основным пилотам рейса (капитану и второму пилоту), что привело к сокращению численности экипажей коммерческих рейсов. Поскольку установка электронных навигационных систем в кабины капитана и второго пилота была относительно простой, должность навигатора в гражданской авиации (но не обязательно в военной авиации) стала излишней. (Некоторые страны возлагают на свои военно-воздушные силы задачу выполнения полетов без навигационных средств во время войны, что по-прежнему требует наличия должности навигатора). Большинство гражданских летных навигаторов вышли на пенсию или были уволены к началу 1980-х годов.