©

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www.kosmos.gov.pl

ZASTOSOWANIE NAWIGACJI SATELITARNEJ W LOTNICTWIE

Globalny Satelitarny System Nawigacyjny (GNSS) jest elementem
wyróżnionym 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, że całkowicie różni się od tradycyjnych pomocy nawigacyjnych (tzw.
pomocy konwencjonalnych). Zakłada się, że GNSS może 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 możliwości zaawansowanych odbiorników zainstalowanych na pokładzie
samolotów, umożliwiających 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:



obniżenie poziomu hałasu,



większą elastyczność przy wyborze trasy, zwłaszcza w sytuacjach ukształtowania terenu
ograniczającego możliwość 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 niemożliwe (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), umożliwiając statkom powietrznym utrzymywanie bardziej
efektywnych tras lotu niż wyznaczone na mapach lotniczych. Takie rozwiązania pozwalają na optymalizację
przestrzeni powietrznej na trasach (a w niektórych państwach również 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 poniżej 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 umożliwienie lądowań przy niższych minimach bez potrzeby instalacji kosztownych konwencjonalnych
pomocy nawigacyjnych. GNSS może zapewniać podejście z prowadzeniem w płaszczyźnie pionowej (APV) na
wszystkich kierunkach lądowania. Podejścia APV oparte na wykorzystaniu GNSS dostępne są również 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 rozróżnia dwie kategorie podejścia do lądowania - podejścia nieprecyzyjne
(NPA), odbywające się z widocznością ziemi, oraz podejścia precyzyjne (PA), wśród których wyróżnia się trzy
kategorie w zależności od warunków widoczności.

Kategorie

Wysokość decyzji /m/

Zasięg widzenia wzdłuż 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 także mikrofalowe systemy MLS (Microwave Landing
System).

W związku z pojawieniem się możliwości 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 różnych faz lotu, która uniezależnia nawigację od fizycznej lokalizacji
urządzeń/systemów.



Monitoring ruchu na lotniskach

W połączeniu z systemami przesyłania pozycji samolotu do systemów naziemnych, GNSS może 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, że 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, że pełne zastosowanie GNSS w lotnictwie może
wyeliminować potrzebę utrzymywania różnych systemów
naziemnych i pokładowych, które były konstruowane dla
spełnienia specyficznych wymagania różnych faz lotu (np. podejścia precyzyjne do lądowania - ILS).

Wdrożenie 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 służb i usług
ż

eglugi powietrznej pozwalając użytkownikom przestrzeni powietrznej na oszczędności i dalsze zmniejszenie

kosztów transportu ludzi i towarów drogą lotniczą.

Przy założeniu odpowiedniego wyposażenia samolotu, dostępność dokładnej pozycji, prędkości i czasu
(uzyskanych z GNSS) może być wykorzystana w przyszłościowych rozwiązaniach (obecnie częściowo
wdrażanych na trasach oceanicznych) takich jak Automatyczne Zależne 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 również źródłem dokładnego czasu. W lotnictwie może to być używane 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 zagrożenia dla rozwoju zastosowań nawigacji satelitarnej w lotnictwie.

Pomimo korzyści, jakie oferuje GNSS, technologia satelitarna ma pewne ograniczenia a ponadto jej
wykorzystanie wiąże 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 dużą zmianę dla wszystkich członków
społeczności lotniczej. Zmiana ta wymaga współdziałania operatorów statków powietrznych, pilotów, służby
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 możliwości 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.

Należy założyć, że w przypadku pojawienia się każdego
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 również 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 może szkodzić większej liczbie
statków powietrznych jednocześnie).
Państwa wdrażające 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 zależy od dokładności
nawigacyjnych baz danych. Państwa powinny więc zapewnić integralność danych przy opracowaniu nowych
procedur. Szczególnie ważne jest przygotowanie danych GIS dla lotniska oraz dokładne pomierzenie
współrzędnych przeszkód lotniczych w rejonie lotniska w układzie WGS-84.

Dodatkowo musza być wdrożone procedury i systemy zapewniające integralność danych w trakcie ich
przetwarzania do postaci niezbędnej dla użycia w systemach pokładowych i bazach danych wykorzystywanych
w awionice.

Załącznik 11 ICAO – Służby 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 wyposażeniem i zatwierdzonym podręcznikiem wykonywania lotów,
wydaje się dokument zezwalający na użycie 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, niezależnie 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 różnice 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. Każdą 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, należy upewnić się, że 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