Глава 4. Бортовые системы предупреждения столкновения (БСПС).

Предотвращение столкновений ВС — это один из основных задач службы движения ГА. Совершенствование организации работы и технических средств ОВД направлено на повышение безопасности полетов в условиях роста интенсивности полетов, расширение сети воздушных трасс и усложнения структуры воздушного пространства.

При рассмотрении проблемы предотвращение столкновения ВС в воздухе различают два понятия:

опасное сближение - ситуация, при которой ВС сблизились на расстояние, когда еще возможно предотвратить столкновение путем маневра уклонения.

столкновение - ситуация, при которой ВС сблизились на расстояние, равное или меньше расстоянию безопасного расхождения.

Расстояние безопасного расхождение определяет объем безопасности, т.е. объем воздушного пространства вокруг каждого ВС, в который не должны входить другие ВС во избежание возможного столкновения. Объем безопасности определяется геометрическими, эксплуатационно-техническими характеристиками ВС, аэродинамическими условиями полета и другими факторами.

Целесообразно представить объем безопасности цилиндром с сечением в виде окружности в горизонтальной плоскости (рис.66), где – r_б- радиус цилиндра, 2 h_б- высота цилиндра.

Для обеспечения безопасности полета необходимо, чтобы r(t) ≥ r_б; h(t) ≥ h_б, где r (t) и h(t) – расстояние и высота между ВС участками конфликта.

Рис. 66. Объем безопасности.

Опыт эксплуатации показывает, что для оценки угрозы столкновения, выработки маневра уклонения и его реализации требуется примерно 45 с. При максимальной скорости конфликтующих ВС, равной 900км/ч, диаметр цилиндра будет равен 22,5км. Рекомендуемое значение ≈ 25км.

Оценку опасности в вертикальной плоскости вполне допустимо производить по разности высот ВС, определяемой на основе обмена информацией о высотах полета между конфликтующими ВС.

Размер опасной зоны в вертикальной плоскости в условиях горизонтального полета определяется погрешностями высотомеров, погрешностями, возникающими в процессе информационного обмена, а также расстоянием между ВС по высоте, необходимым для безопасного маневра:

 

σ₁ =(σ²_ад + σ²_ин)^1/2 σ₂ = (σ² _ад + σ² _ин + σ² _инф)^1/2

 

где σ₁ и σ₂ - суммарные погрешности определение высоты 2-х ВС;

σ_ад - остаточная среднеквадратическая, аэродинамическая погрешность высотомеров;

σ_ин- среднеквадратическая инструментальная погрешность высотомеров;

σ_инф - среднеквадратическая погрешность высоты, возникающая в процессе информационного обмена между ВС;

Суммарная среднеквадратическая погрешность определения разности высот двух ВС определяется, как:

σ_н = (σ²₁ + σ²₂)^1/2.

Максимальная погрешность определения разности высот

∆ h = 3σ_н

Следовательно, для безопасного расхождения ВС, разность их высот должна быть не менее

h_доп=3σ_н+ h_б.

При полетах в зоне взлета и посадки и в районе аэродромов ВС находятся, как правило, в режиме изменение высоты.

Оценка высотной зоны h_пр, при достижении которой должно производиться прекращение набора или снижения высоты определяется существующими нормами вертикального и размерами буферной зоны h_буф. Значение h_буф определяется реакцией пилота на показания приборов - t , реакцией самолета t и времени задержки t в СПС.

h_буф= (t + t + t ) ·Vв,

где Vв- вертикальная скорость ВС.

Тогда для каждого ВС

h_{пр =} ± (0,5h_э +h_буф),

где h_э - интервал между высотными эшелонами относительно уровня полета одного из ВС.

Критерии опасности столкновения

Для выявления условий безопасного расхождения конфликтующих ВС целесообразно рассмотреть закономерности относительного движения. Предположим, что ВС движутся в горизонтальной плоскости, с постоянной скоростью по прямолинейным пересекающимся траекториям на одинаковой высоте (рис.67).

Буквами C_o и D_o обозначим точки нахождение собственного ВС(C ) и ВС – нарушителя в исходный момент времени t (таким моментом может быть момент вторжения ВС – нарушителя в рабочую область БСПС); r - расстояние между ВС в момент времени t ;

V и V - векторы скоростей ВС.

Величина и направление скорости относительного движения V определяются векторной разностью:

 

V = V - V = V + (- V ),

где -V - вектор скорости движения ВС - нарушителя относительно собственного ВС.

 

Рис. 67. Схема движения конфиктующих ВС.

 

Линия D_oO представляет собой траекторию движения ВС – нарушителя относительного собственного ВС.

В некоторый момент времени, отстоящий от исходного, на интервал

τ = D_o O/V_отн

ВС - нарушитель окажется в точке О на кратчайшем расстоянии d. Это расстояние называется дистанцией пролета. Для безопасного расхождения ВС необходимо, чтобы дистанция пролета превышала некоторое безопасное значение d _min, размеры которого определяются геометрическими размерами ВС или в общем случае размерами турбулентного следа ВС - нарушителя.

Уточним условия безопасного расхождения конфликтующих ВС и момент начала маневра по предотвращению столкновения. Из рис. 67 видно, что

 

D₀O = r_o·cosγ, V_отн·cosγ = r_o^´ ,

где – r_o^´ производная по времени от величины начального расстояния между конфликтующими ВС, характеризующая скорость их сближения.

В свою очередь от начального момента времени до момента наибольшего сближения потребуется интервал времени:

 

τ = r_o · cos²γ / r_o^´

 

Столкновение произойдет, если угол γ будет близок к нулю. Таким образом, измерив, расстояние между собственным ВС и ВС – нарушителем r_o и скорость его изменения r_o^´, можно рассчитать время, оставшееся до столкновения и определить момент начала выполнения маневра по разрешению конфликта. Время начала маневра должно быть достаточным для выполнения этого маневра. Опыт показывает, что для этого необходимо не менее 20-30с.

Величина отношения расстояния от собственного ВС до ВС- нарушителя к скорости его изменения получило название τ – критерия. Численное значение τ – критерия равно времени, остающемуся до момента наибольшего сближения или до момента столкновения. Особенностью τ – критерия является то, что он пригоден для определения опасности столкновения в условиях, когда отсутствуют данные от угловых координатах ВС - нарушителей, что. значительно упрощает и удешевляет оборудование БСПС. Однако отсутствие информации об угловом положении ВС - нарушителя ограничивает возможности маневра по разрешению конфликта и он возможен только в вертикальной плоскости.

Принципы функционирования БСПС.

БСПС каждого ВС постоянно излучают на частоте 1090 МГц всенаправленные зондирующие сигналы, несущие информацию о своем адресе. В интервалах времени между излучением этих сигналов приемник БСПС принимает аналогичные сигналы от БСПС ВС, оказавшихся в пределах рабочей области собственного ВС. П осле приема сигналов ВС – нарушителей БСПС по их адресам последовательно производит опрос этих ВС, излучая на частоте 1030 МГц сигналы запроса дальности и измеряет дальности до ВС – нарушителей скорости их сближения(радиальные скорости перемещения ВС- нарушителей относительно собственного ВС), курсовые углы ВС – нарушителей и высоты ВС - нарушителей относительно собственного ВС. При этом в зону информационного обмена допускаются ВС высоты, которых отличаются от высоты собственного ВС не более чем на ± 920 м, а также ВС, сближающиеся по абсолютной высоте с вертикальной скоростью, при которой через 60 с. произойдет выход ВС на одинаковую абсолютную высоту, и ВС,удаленные от собственного ВС на расстояние, которое они могут преодолеть за время, меньше 42 с, если будут двигаться со скоростью, равной удвоенному значению максимальным скоростей собственного ВС и ВС - нарушителя. Такие ограничения позволяют снизить уровень взаимных помех в системе при большой интенсивности воздушного движения.

Измерение дальности между ВС производится импульсным методом, путем измерения интервалом времени между моментом излучения запроса дальности и приемом ответных сигналов от ВС - нарушителей. Измерение радиальной скорости движения ВС - нарушителя производится доплеровскими методами. Для определения высоты ВС - нарушителя используется информация о высоте, содержащаяся в ответном сигнале

ВС - нарушителя. На борту собственного ВС эти данные сравниваются с данными о собственной высоте, и определяется разное по высоте. Скорость изменение высоты рассчитывается путем дифференцирования данные о высоте.

Собирая текущую информацию о каждом ВС- нарушителя в течении нескольких циклов измерений, можно рассчитать местоположение и траекторию движение каждого ВС – нарушителя относительно собственного ВС. Эти данные используются с одной стороны для отображения воздушной обстановки вокруг собственного ВС и с другой стороны для выявления потенциально конфликтных ситуаций.

Консультативная информация о воздушном движении (Traffic Advisory –TA)

отображается на дисплее в центральной части указателя вертикальной скорости (VSI) рис.68.

 

 

Рис. 68. Информация на VSI в режиме “ТА”

 

 

Круговая периферия указателя отображает вертикальную скорость собственного ВС. Дугами красного и зеленого цвета на периферии VSI обозначаются диапазоны запрещенных или разрешенных, т.е. рекомендованных для предотвращения столкновения значений вертикальной скорости. В нижней части экрана показан символ собственного ВС, а на поле индикатора отметки ВС – нарушителей, форма и цвет отметок, которых зависит от степени угрозы. Положение отметки в соответствующем масштабе указывает расстояние и курсовой угол ВС – нарушителя.

В БСПС принята следующая классификация ВС – нарушителей и их символов (см. табл.6):

1) ВС удаленное от эшелона собственного ВС на высоту в пределах ±(336…823) или 1200…2700фут обозначается термином “неопасно” отметка контур в виде ромба синего цвета.

2) Ближайшие ВС - нарушители обозначаются термином близко” и ромбом синего цвета. Это ВС, высота которых лежит между 1200 фут граничным слоем S (рис.69) по обе стороны от эшелона собственного ВС. Если высоты ВС не меняются, то форма и цвет ромба не меняются и никакой информации о необходимости маневра не выдается.

Если относительная высота ВС - нарушителя изменяется, то изображение его на экране меняется и ситуация может развиваться по одному из трех вариантов.

Первый вариант: ВС – нарушитель близко, но угрозы не представляет, т.к. прогноз его движение не предвещает столкновение. В этом случае его отметка отображается янтарно- желтым кружком и пилотам выдается речевое сообщение “внимание”.

Второй вариант: через 10÷15 с после пересечения слоя S ВС – нарушитель находится между высотными слоями S₁ и S₂, но его относительная высота изменяется. Пилотам выдается рекомендация избегать изменение вертикальной скорости собственного ВС. Возникает ситуация “опасно”. Отметка ВС - нарушителя трансформируется в красный квадрат и на индикаторе VIS появляется зеленая дуга в области нулевого значения (рис.69) вертикальной скорости собственного ВС и две красных дуги в областях запрещенных значений этой скорости.

Третий вариант: ВС - нарушитель пересекает порог S и прогноз дальнейшего развития событий предвещает столкновение. Изображение ВС на экране сохраняет красный цвет. Рекомендация необходимого значения вертикальной скорости (зеленый сектор) смещается в определенную область на периферии шкалы и свидетельствует о необходимости вертикального маневра (рис.70).

Таблица 6

 

1200ft. ▲ Порог срабатывания режима ТА (верх.)

S ▲ Порог срабатывания профилактической рекомендации (верх).

S ▲ Порог срабатывания корректирующей рекомендации (верх.)

Эшелон собственного ВС.

S ▼ Порог срабатывания корректирующей рекомендации (нижн.)

S ▼ Порог срабатывания профилактической рекомендации (нижн).

- 1200ft. ▼ Порог срабатывания режима ТА (нижн.)

Рис.. Схема вертикальных границ ввода в действие различных режимов БСПС.

 

Выдача рекомендаций в визуальной форме сопровождается выдачей речевых команд КВС. Речевые команды могут быть корректирующими или превентивными (предупреждающими). Корректирующая команда типа “Набор, набор, набор” выдается одновременно с выдачей визуальной команды на VIS, а превентивные речевые команды “Контролируй вертикальную скорость” выдается тогда, когда ВС уже выполняет требуемый вертикальный маневр.

Рис.70. Информация в режиме “TA/RA” Рис.71. Информация в режиме “TA/RA” при выдаче рекомендации о сохранении при выдаче рекомендации о движении режима горизонтального полета собственного ВС вверх

 

 

Существенной особенностью БСПС является то, что рекомендации по предотвращению угрозы столкновение (Resolution Advisory – RA) обеспечивают достаточное эшелонирование относительно всех угроз и оказывают наименьшее влияние на текущую траекторию собственного ВС. Процедура формирования процедуры такова. По данным о воздушной обстановке, собранной на борту собственного ВС, рассчитывается требуемый маневр, т.е. скорость и направление перемещение ВС, которые отображаются на VIS.

Однако прежде чем отображать их на БСПС собственного ВС, угрожающему ВС- нарушителю направляется координационный запрос(RAC), содержащий информацию о выбранном маневре. Координационный запрос содержит рекомендацию ВС - нарушителю “не проходит выше”, если маневр предполагает движение “вверх” либо рекомендацию “не проходить ниже, если маневр предполагает движение “вниз”. Если принятый RAC поступило на ВС- нарушитель до того, как на нем было сформировано собственное решение о маневре, эта рекомендация принимается, о чем с борта ВС- нарушителя отправляется координационный ответ. Получение ответа служит основанием для исполнения собственным ВС выбранного им маневра, команда его выполнения выдается на VIS, и он исполняется.

Если же на собственном ВС еще до формирования собственного решения о маневре принята рекомендация от ВС - нарушителя и она совместима с собственным решением, то она принимается и исполняется, что подтверждается собственным координационным ответом. Если же эта рекомендация не совместима с собственным решением, то собственный ВС изменяет свое решение в соответствии для обеспечения его совместимости с принятой рекомендацией.

Координационные запросы повторяются до получения координационного ответа от 6 до 12 раз. БСПС не функционирует на высотах ниже 980 фут(300м) и не вырабатывает команды на маневр ”вниз”, если высоты ВС меньше 1100 фут(335м).

Информация о принятом маневре передается с борта ВС на землю автоматически по цифровому каналу связи системы вторичной радиолокации для представления диспетчером службы ОВД и периодически отображается в зондирующих сигналах собственного ВС.

В БСПС принимаются специальные меры по защите ее работы от взаимных помех в зонах с высокой интенсивности воздушного движения. С этой целью дальность действия ограничивается не более 26км, а алгоритм обработки принятых сигналов исключает прием сигналов от ВС, высоты полета которых отличаются от высоты полета собственного ВС на высоту более 823м (2700фт.). Для этой цели в БСПС установлено 7 дискретных уровней чувствительности (SL). Выбор уровня определяется высотой полета собственного ВС и обеспечения требуемого времени предупреждения в зависимости от дальности.