©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
ZASTOSOWANIE NAWIGACJI SATELITARNEJ W LOTNICTWIE
Globalny Satelitarny System Nawigacyjny (GNSS) jest elementem
wyróŜnionym w dokumencie ICAO: „Globalny Plan śeglugi Powietrznej
dla Systemów CNS/ATM” (Doc. 9750) jako podstawa dla systemów
łączności, nawigacji i dozorowania w procesie zarządzania ruchem
lotniczym (CNS/ATM).
Normy i Zalecane Praktyki (ICAO - SARPs) opublikowane w odniesieniu
do GNSS zostały opracowane i wprowadzone do Załącznika nr 10 do
Konwencji Chicagowskiej ICAO – Łączność Lotnicza, tom I (Pomoce
radionawigacyjne) w 2001 roku w Dodatku 76.
Państwa – sygnatariusze Konwencji ICAO zobowiązane są stosować
SARPs lub powiadomić o odstępstwach w tym zakresie.
W chwili obecnej w SARPs (Załącznik 10 Tom 1 do Konwencji ICAO) zdefiniowano wymagania dla systemów
GLONASS i GPS wykorzystujących częstotliwość L1 (sygnał GPS L1 z z kodem C/A – Coarse Acquisition).
Ponadto ICAO zdefiniowała wymagania dla systemów ABAS (aircraft-based augmentation system) i SBAS
(satellite-based augmentation system) oraz GBAS (ground-based augmentation system).
Globalne systemy nawigacji satelitarnej i systemy je wspomagające.
GNSS ma zasięg globalny co powoduje, Ŝe całkowicie róŜni się od tradycyjnych pomocy nawigacyjnych (tzw.
pomocy konwencjonalnych). Zakłada się, Ŝe GNSS moŜe wspierać wyznaczanie pozycji samolotu we
wszystkich fazach lotu, a w połączeniu z pokładowymi systemami przetwarzania i zobrazowania danych
zapewniać nawigację w fazach lotu:
Start,
Odlot,
Przelot po trasie (loty kontynentalne/krajowe i oceaniczne),
Dolot,
Podejście i lądowanie.
Pierwsze zezwolenia władz lotniczych poszczególnych państw (np. Federalnego Urzędu Lotnictwa USA (FAA))
na wykorzystywanie GNSS (obok metod tradycyjnych) pojawiły się w 1993 r. Dotyczyły one kolejno akceptacji
zastosowania GNSS dla:
lotów na trasach krajowych i oceanicznych,
lotów w rejonach kontrolowanych lotnisk (TMA)
operacji nieprecyzyjnego podejścia (NPA).
Zezwolenia te wykorzystywały moŜliwości zaawansowanych odbiorników zainstalowanych na pokładzie
samolotów, umoŜliwiających autonomiczne monitorowanie pracy odbiornika (ABAS).
Ź
ródło: http://www.zznpl.home.pl/
GNSS
GPS
Satellite Based
Augmentation System
(SBAS)
GLONASS
Ground Based
Augmentation System
(GBAS)
GALILEO
(TBD)
RAIM
Receiver Autonomous
Integrity Monitoring
Autonomiczne monitorowanie
integralno
ś
ci odbiornika
AAIM
Aircraft Autonomous
Integrity Monitoring
Autonomiczne monitorowanie
integralno
ś
ci statku powietrznego
Aircraft Based
Augmentation System
(ABAS)
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Odlot
Nawigacja z wykorzystaniem GNSS przy odlotach pozwala na:
obniŜenie poziomu hałasu,
większą elastyczność przy wyborze trasy, zwłaszcza w sytuacjach ukształtowania terenu
ograniczającego moŜliwość wykonywania standardowych odlotów.
Rozwiązania te pozwalają na stosowanie mniejszych gradientów wznoszenia i odlotu, co w praktyce przekłada
się na uzyskanie większej ładowności samolotu.
Przelot po trasie
Obecnie GNSS zapewnia dokładną nawigację nad obszarami, na których rozwinięcie tradycyjnych pomocy
nawigacyjnych jest utrudnione lub niemoŜliwe (jak np. oceany).
Na obszarach obsługiwanych przez radiolatarnie naziemne (jak np. Very High Frequency Omnidirectional
Range – VOR lub Distance Measuring Equipment – DME), GNSS pomaga w operacjach tzw. nawigacji
obszarowej (Basic Area Navigation – B-RNAV), umoŜliwiając statkom powietrznym utrzymywanie bardziej
efektywnych tras lotu niŜ wyznaczone na mapach lotniczych. Takie rozwiązania pozwalają na optymalizację
przestrzeni powietrznej na trasach (a w niektórych państwach równieŜ w rejonach lotnisk) pod kątem
maksymalnej pojemności i minimalnych opóźnień.
Docelowo GNSS wykorzystywany będzie dla zastosowań nawigacji P-RNAV zapewniających dokładność
nawigacji +- 1NM a nawet poniŜej 1 NM przy zastosowaniach RNP-RNAV w TMA i dolocie.
Dolot
Zastosowanie GNSS w procedurach dolotu i podejścia do lądowania poprawia dostępność portu lotniczego
poprzez umoŜliwienie lądowań przy niŜszych minimach bez potrzeby instalacji kosztownych konwencjonalnych
pomocy nawigacyjnych. GNSS moŜe zapewniać podejście z prowadzeniem w płaszczyźnie pionowej (APV) na
wszystkich kierunkach lądowania. Podejścia APV oparte na wykorzystaniu GNSS dostępne są równieŜ w
przypadku zmiany kierunku podejścia i lądowania (spowodowanej zmianą kierunku wiatru – na niektórych
lotniskach stanowi to do 20% operacji).
Podejście do lądowania i lądowanie
Jako najbardziej niebezpieczne fazy lotu, podejście do lądowania i lądowanie wymagają największej
dokładności nawigacji. ICAO rozróŜnia dwie kategorie podejścia do lądowania - podejścia nieprecyzyjne
(NPA), odbywające się z widocznością ziemi, oraz podejścia precyzyjne (PA), wśród których wyróŜnia się trzy
kategorie w zaleŜności od warunków widoczności.
Kategorie
Wysokość decyzji /m/
Zasięg widzenia wzdłuŜ pasa startowego
(RVR) /m/
CAT-1
60
550
CAT-2
30
350
CAT-3A
30
200
CAT-3B
15
50
CAT-3C
nie określona
nie określona
Kategorie certyfikacji lądowania dla pasów startowych.
Wysokość decyzji oznacza wysokość, na której pilot musi przerwać podejście, jeśli nie widzi lądowiska.
Kategoria 3C oznacza widzialność zerową.
Podejścia nieprecyzyjne bazują na wykorzystaniu radiowych pomocy nawigacyjnych typu NDB (Non-
directional Beacon System), VOR i DME.
W podejściach precyzyjnych wykorzystuje się przede wszystkim systemy przyrządowe ILS (Instrument Landing
System). Ostatnio na części lotnisk instalowane są takŜe mikrofalowe systemy MLS (Microwave Landing
System).
W związku z pojawieniem się moŜliwości wykorzystania systemów GNSS zdefiniowano dwa dodatkowe typy
podejść z prowadzeniem pionowym APV (podejścia o wymaganiach pomiędzy NPA i PA):
•
Baro-VNAV - podejścia wykorzystujące prowadzenie pionowe za pomocą wysokościomierza
barometrycznego wchodzącego w skład FMS samolotu (Flight Management System),
•
APV I, APV II - podejścia wykorzystujące prowadzenie pionowe za pomocą systemu GNSS i SBAS
(Satellite-Based Augmentation System).
W obu przypadkach pozycja w płaszczyźnie poziomej wyznaczana jest przez odbiornik GNSS.
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Ponadto wyodrębniono podejście precyzyjne CAT I GBAS z wykorzystaniem systemu GNSS z naziemnym
systemem wspomagającym, np. LAAS (Local Area Augmentation System) w USA.
W latach 90-tych XX wieku całość wymagań nawigacyjnych oparto o koncepcję RNP (Required Navigation
Performance) definiowanych dla róŜnych faz lotu, która uniezaleŜnia nawigację od fizycznej lokalizacji
urządzeń/systemów.
Monitoring ruchu na lotniskach
W połączeniu z systemami przesyłania pozycji samolotu do systemów naziemnych, GNSS moŜe być
wykorzystany do wsparcia operacji ruchu naziemnego zapewniając pozycjonowanie zarówno samolotów jak i
pojazdów znajdujących się na lotnisku. Funkcje te są szczególnie przydatne w okresie ograniczonej widzialności
na terenie lotniska.
Przyszłość zastosowań systemów nawigacji satelitarnej w nawigacji lotniczej
Stanowisko ICAO (zdefiniowane w 1990 r. na 10 Konferencji
ś
eglugi Powietrznej i podtrzymane na ostatniej ANC
w 2003 roku) zakłada, Ŝe w przyszłości GNSS będzie w stanie
zapewnić pozycjonowanie dla wszystkich faz lotu i operacji
statków powietrznych.
Prawdopodobnie w latach 2012 – 2016 będą trwały prace nad
opracowaniem
procedur
certyfikacyjnych
GNSS
dla
zastosowań w nawigacji lotniczej.
Zakłada się, Ŝe pełne zastosowanie GNSS w lotnictwie moŜe
wyeliminować potrzebę utrzymywania róŜnych systemów
naziemnych i pokładowych, które były konstruowane dla
spełnienia specyficznych wymagania róŜnych faz lotu (np. podejścia precyzyjne do lądowania - ILS).
WdroŜenie GNSS w lotnictwie cywilnym pozwoli na stopniowe wycofywanie części tradycyjnych pomocy
nawigacyjnych (z pozostawieniem niezbędnego minimalnego zabezpieczenia). Ograniczenie liczby
konwencjonalnych pomocy nawigacyjnych zmniejszy koszty utrzymanie systemów i świadczenia słuŜb i usług
Ŝ
eglugi powietrznej pozwalając uŜytkownikom przestrzeni powietrznej na oszczędności i dalsze zmniejszenie
kosztów transportu ludzi i towarów drogą lotniczą.
Przy załoŜeniu odpowiedniego wyposaŜenia samolotu, dostępność dokładnej pozycji, prędkości i czasu
(uzyskanych z GNSS) moŜe być wykorzystana w przyszłościowych rozwiązaniach (obecnie częściowo
wdraŜanych na trasach oceanicznych) takich jak Automatyczne ZaleŜne Dozorowanie (ADS) skojarzone z
rozwiązaniem Łącza Transmisji Danych Kontroler-Pilot (CPDLC). Rozwiązania te pozwolą na przekazywanie
do systemu naziemnego dokładanej pozycji samolotu oraz jego intencji co przyczyni się do lepszej kontroli
danej przestrzeni oraz zwiększenia jej pojemności i przepustowości.
Główne zmiany w wymaganiach zdolności nawigacyjnej GNSS przewidywane są w przypadku zastosowania
GNSS w dla obszarów nawigacji niezbędnych dla zapewnienia operacji "gate to gate" i koncepcji operacyjnych
"free flight" i "free route".
GNSS jest równieŜ źródłem dokładnego czasu. W lotnictwie moŜe to być uŜywane do znakowania czasu
napływu danych, w synchronizacji systemów dozorowania i łączności oraz do zarządzania systemami FMS (w
przypadku ich integracji z systemami naziemnymi ATM).
Problemy i zagroŜenia dla rozwoju zastosowań nawigacji satelitarnej w lotnictwie.
Pomimo korzyści, jakie oferuje GNSS, technologia satelitarna ma pewne ograniczenia a ponadto jej
wykorzystanie wiąŜe się z koniecznością rozwiązania szeregu kwestii instytucjonalnych.
Zmiana rozwiązań nawigacji i kontroli ruchu lotniczego bazujących na systemach konwencjonalnych, na oparte
na wykorzystaniu GNSS rozwiązania nawigacji obszarowej stanowi duŜą zmianę dla wszystkich członków
społeczności lotniczej. Zmiana ta wymaga współdziałania operatorów statków powietrznych, pilotów, słuŜby
ruchu lotniczego (ATS) i władz lotniczych.
Przyszłe wymagania jakie definiowane będą dla
zastosowań w lotnictwie cywilnym planuje się na
podstawie spodziewanego rozwoju infrastruktury:
•
GPS/L5: wstępne moŜliwości operacyjne - 2012,
pełna funkcjonalność - 2015;
•
GLONASS/L3: zgłoszona dostępność od 2008;
•
Galileo/L1: zgłoszona dostępność od 2008;
•
Galileo/E5a: zgłoszona dostępność od 2008;
•
Galileo/E5b: zgłoszona dostępność od 2008.
NaleŜy załoŜyć, Ŝe w przypadku pojawienia się kaŜdego
nowego sygnału w przestrzeni niezbędny jest okres od
jednego do dwóch lat na ocenę i certyfikację sygnału do
zastosowań
w
lotnictwie
cywilnym
w
ramach
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Jednym z podstawowych zagadnień jest osiągnięcie przez GNSS wysokiej dostępności usługi. Obecnie
większość zastosowań GNSS w lotnictwie komunikacyjnym (poza trasami oceanicznymi i odległymi
kontynentalnymi) zakłada wykorzystanie tradycyjnych pomocy nawigacyjnych jako rozwiązania zapasowego (w
przypadku utraty pozycji GNSS).
Zakłócenie sygnałów GNSS ma równieŜ bezpośredni wpływ na dostępność usługi pozycjonowania (poprzez
całkowitą jej utratę lub odrzucenie ze względu na przekroczenie limitu błędów wskazania pozycji).
Konwencjonalne (naziemne) pomoce nawigacyjne, są znacznie odporniejsze na zakłócanie. Poza tym w tym
przypadku ma ono bardziej ograniczony zasięg w porównaniu z GNSS (gdzie moŜe szkodzić większej liczbie
statków powietrznych jednocześnie).
Państwa wdraŜające GNSS muszą przeanalizować i ocenić prawdopodobieństwo niezamierzonych i celowych
zakłóceń, włącznie z ich oddziaływaniem na operacje statków powietrznych. Jeśli jest to konieczne, powinny
być podjęte specjalne działania, by zminimalizować ten wpływ.
Bezpieczeństwo procedur podejścia wykorzystywanych w połączeniu z nawigacją GNSS zaleŜy od dokładności
nawigacyjnych baz danych. Państwa powinny więc zapewnić integralność danych przy opracowaniu nowych
procedur. Szczególnie waŜne jest przygotowanie danych GIS dla lotniska oraz dokładne pomierzenie
współrzędnych przeszkód lotniczych w rejonie lotniska w układzie WGS-84.
Dodatkowo musza być wdroŜone procedury i systemy zapewniające integralność danych w trakcie ich
przetwarzania do postaci niezbędnej dla uŜycia w systemach pokładowych i bazach danych wykorzystywanych
w awionice.
Załącznik 11 ICAO – SłuŜby Ruchu Lotniczego wymaga dokonania oceny bezpieczeństwa, zanim zostaną
wprowadzone znaczące zmiany związane z bezpieczeństwem w systemie ATC.
Odpowiedzialność za wydanie zezwolenia na operacje GNSS w swojej przestrzeni powietrznej ponosi państwo.
Statkom powietrznym, z certyfikowanym wyposaŜeniem i zatwierdzonym podręcznikiem wykonywania lotów,
wydaje się dokument zezwalający na uŜycie GNSS w operacjach na trasach oceanicznych, drogach lotniczych,
w TMA oraz podejść i odlotów. Zezwolenie powinno zawierać ograniczenia dla proponowanych operacji.
Zezwalając na operację w oparciu GNSS, państwo ponosi odpowiedzialność za zapewnienie bezpieczeństwa
wykonywania takich operacji, niezaleŜnie od tego, które rozwiązania systemu nawigacyjnego GNSS zostały
przyjęte i dopuszczone do stosowania.
W niektórych krajach wymaga się wprowadzania do licencji pilota dodatkowych uprawnień na posługiwanie się
pomocami nawigacyjnymi zakwalifikowanymi do wykorzystania w poszczególnych fazach lotu. Biorąc pod
uwagę zasadnicze róŜnice pomiędzy tradycyjnymi pomocami nawigacyjnymi i GNSS oraz ograniczenia
zastosowania GNSS, istnieje potrzeba specjalnego szkolenia załóg statków powietrznych.
Typ odbiornika GNSS, podobnie jak innych elementów awioniki, powinien być zatwierdzony i zainstalowany
zgodnie z określonymi wymaganiami. KaŜdą taką instalację winna poprzedzić seria testów, pomiarów i
inspekcji. Certyfikacja i procedury sprawdzenia bazują na standardach zdolności zawartych w dokumentacji
RTCA i EUROCAE oraz w dokumentach państwowych.
Przed publikacją w AIP (Zbiór Informacji Lotniczych) opracowanych z wykorzystaniem GNSS procedur
podejścia (np. APV) dla danego lotniska, naleŜy upewnić się, Ŝe lotnisko spełnia odpowiednie wymagania w
odniesieniu do danego typu operacji podejścia, takie jak:
a) szerokość i długość pasa drogi startowej;
b) przeszkody znajdujące się w obrębie płaszczyzn ograniczających;
c) dostępność odpowiedniej informacji meteorologicznej;
d) odpowiednie oświetlenie i oznakowanie krawędzi drogi startowej;
e) konfiguracja dróg kołowania.
Opracowanie: K. Banaszek
Redakcja: A. Foks-Ryznar