"ФРИ ФЛАЙТ" — что это?
Быстро изменяющаяся экономическая ситуация в мире, растущая конкуренция на рынке воздушных перевозок вынуждают искать пути повышения эффективности использования авиационного транспорта. Результаты всесторонних исследований указывают на огромные резервы, которые можно реализовать при более рациональном построении системы управления воздушным движением. При этом основной задачей является повышение экономической эффективности и безопасности полётов, предоставление участникам воздушного движения большей самостоятельности в выборе оптимальных режимов полёта.
В последнее время внимание авиационных кругов всего мира было привлечено к динамической концепции УВД под названием "Фри Флайт" (Free Flight - в буквальном переводе с английского - "свободный полёт"). Эта концепция является первой практической попыткой систематизировать и объединить в единый комплекс средства УВД, появившиеся в последние годы, и имеет своей основной целью предоставить экипажам воздушных судов свободу оперативного выбора траектории движения по маршруту, скорости и профиля. При этом автономность, характерная для визуального полёта, должна эффективно сочетаться с надёжностью безопасного разведения воздушных судов, обеспечиваемой техникой полёта по приборам. Для авиакомпаний мира "Фри Флайт", в случае успешного внедрения, сулит экономию до 5 млрд. долларов ежегодно за счёт снижения расхода топлива и затрат времени. Для авиационных властей концепция даёт возможность с наименьшими затратами модернизировать устаревшие системы УВД. Концепция "Фри Флайт" недавно получила одобрение Федеральной авиационной администрации США. По мнению представителей ФАА, международной организации гражданской авиации (IСАО) и участвующих в разработке проекта авиакомпаний, определяющим фактором успешного внедрения системы должен стать сложный сплав последних достижений в области автоматики, инженерной психологии и беспрецедентной международной кооперации. Несмотря на все потенциальные сложности, официальные лица ФАА и представители авиакомпаний выражают оптимизм относительно возможности внедрения системы к 2010 году. В то же время многие эксперты и официальные лица имеют менее оптимистичную точку зрения и считают, что внедрение концепции может потребовать миллиарды долларов вложений и от 10 до 20 лет работы. Спутниковые системы навигации будут играть ключевую роль в обеспечении воздушного движения по концепции "Фри Флайт". Другими важными элементами, которые находятся либо в стадии разработки, либо уже устанавливаются на самолёты, являются: системы обмена данными, усовершенствованные системы предотвращения столкновений, автоматические системы УВД на маршруте (AERATC) и средства автоматизации радионавигационных систем захода на посадку. Руководитель ФАА г-н Хинсон заявил, что к середине этого года 57 контрольно-диспетчерских пунктов (КДП) ФАА будут оснащены связным оборудованием системы обмена данными. Эта система позволит диспетчерам передавать на борт самолётов предполётную информацию и разрешение на взлёт по каналам обмена данными, а не по речевой связи. Параллельные испытания системы обмена данными и системы автоматической и стандартной выдачи разрешения на руление будут проведены до конца года в аэропорту "Метрополитен" (Детройт, США). В предлагаемой вниманию наших читателей статье рассмотрены некоторые организационные вопросы внедрения концепции "Фри Флайт", а также ряд конкретных технических решений, которые предлагаются американской фирмой "Коллинз" - одним из наиболее активных проводников этой новой идеи в авиационной промышленности.
КОНЦЕПЦИЯ "ФРИ ФЛАЙТ"
Основная идея "Фри Флайт" заключается в совершенно новом подходе к управлению воздушным движением и вкладывает новый смысл в понятие "полёт по приборам". Детальная проработка концепции в настоящее время проводится на уровне государственных комитетов и рабочих групп из представителей авиакомпаний. Так, например, в октябре прошлого года специальная рабочая группа Комиссии по авиационным радиотехническим средствам (RTCA) подготовила отчёт по перспективам внедрения системы "Фри Флайт", который был официально рассмотрен ФАА. По результатам рассмотрения руководитель ФАА Дэвид Хинсон пришёл к заключению, что "совместные усилия ФАА и промышленности приведут к успешному внедрению концепции "Фри Флайт". Следует отдавать себе отчёт в том, что с внедрением "Фри Флайт" будут изменены основные существующие принципы организации УВД, в соответствии с которыми большинство действий экипажа по управлению полётом должны санкционироваться или задаваться наземными диспетчерскими пунктами"."Фри Флайт" предоставит экипажам воздушных судов возможность свободно выбирать траекторию полёта по маршруту, скорость и профиль, причем даже в большей степени, чем это позволяют правила визуальных полётов. В то же самое время обеспечиваются условия безопасного разведения воздушных судов, устанавливаемые для полётов по приборам. Возможное вмешательство диспетчеров при этом становится средством, гарантирующим безопасность выполнения полётов и правильное функционирование автоматических систем. Вмешательство диспетчеров может также потребоваться для предотвращения проникновения самолётов в воздушное пространство специального использования, а также во избежание перегрузки аэропорта или зоны подлёта к нему. В сущности, "Фри Флайт" позволит освободиться от ограничений, накладываемых системами УВД на условия выполнения воздушных перевозок настолько, насколько это позволят требования безопас-ности и технический прогресс. Реализация этой концепции станет возможной благодаря широкому использованию спутниковой навигационной системы (GPS), которая построена на "созвездии" из 24 спутников. GPS позволяет экипажу самолёта, находящегося в любой точке воздушного пространства Земли, непрерывно и с высокой точностью определять своё местоположение, не полагаясь на информацию наземных станций.
Таким образом, устраняется необходимость в негибких и экономически неэффективных наземных системах проводки и обеспечения воздушных трасс, а также в связанных с ними навигационных инфраструктурах. Но установить, где находится воздушное судно, аэропорт назначения и время полёта до него можно будет не только с помощью GPS. Подобную информацию можно будет получить также по системе обмена данными от других находящихся поблизости самолётов.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
В отличие от многих других проектов модернизации УВД, у истоков концепции "Фри Флайт" стоят непосредственно активные участники воздушного движения и, в первую очередь, крупные авиакомпании, которые связывают с ней возможность весьма значительно экономить полётное время и топливо. По мнению экспертов в области воздушных перевозок, авиакомпании теряют от 3,5 до 5 млрд. долл. в год из-за недостатков, присущих существующим системам УВД. Авиакомпания "Юнайтед Эрлайнз" (United Airlines) оценила свои ежегодные потери, связанные с диспетчерскими задержками, опозданиями рейсов, с которыми стыкуются другие рейсы, задержками самолётов у терминалов, ожиданием в очереди на взлёт, назначением невыгодных эшелонов и неоптимальных трасс полёта в сумму, превышающую 670 млн. долларов. Авиакомпания в настоящее время включила эти затраты в статью основных расходов. Авиакомпания "Америкэн Эрлайнз" (American AirLines) уже объявила о достигнутой ежегодной экономии в размере 2,2 млн. долл., благодаря программе сотрудничества с ФАА по выделению трасс полётов с учётом информации о преимущественном направлении ветра. Авиакомпания "Дельта Эрлайнз" (Delta Airlines) рассчитывает на экономию топлива на сумму 16,8 млн. долл. в год за счёт применения компьютерной программы, которая одновременно оптимизирует траекторию, скорость и высоту полёта самолёта в зависимости от текущих погодных условий и загруженности трассы. Эксперты ФАА по моделированию и анализу процесса управления потоками воздушного движения оценили в тех же пределах уровень возможной экономии от реализации концепции "Фри Флайт". В дополнение к ежегодной экономии миллиардов долларов на эксплуатационных расходах концепция "Фри Флайт" предлагает наиболее эффективный по стоимости способ модернизации существующей перегруженной инфраструктуры УВД. В США, в частности, едва ли есть другой вариант приспособить устаревшую и обладающую ограниченными возможностями существующую систему к увеличению в течение ближайших 10 лет объема внутренних воздушных перевозок на 60%. Концепция "Фри Флайт" подразумевает изменение акцентов в самом понятии "управление" воздушным движением и введение понятия "организация" воздушного движения (ОВД), как более логичного.МИНИМУМ ЖЁСТКОГО УПРАВЛЕНИЯ
В условиях "Фри Флайт" наземные диспетчеры, являющиеся "организаторами" (а не непосредственными руководителями) воздушного движения, должны руководствоваться скорее концепцией тактического (локального) эшелонирования (основанной на параметрах местоположения и вектора скорости самолётов), а не концепцией стратегического эшелонирования (основанной на параметрах траектории полёта), подразумевающей выполнение полётов по назначенным маршрутам, с заданными высотами и скоростями полёта под непосредственным контролем системы УВД, как это делается сегодня. В графическом виде эшелонирование по концепции "Фри Флайт" представляется в виде движущихся зон вокруг каждого самолёта, состоящих из двух областей пространства цилиндрической формы: внешней - сигнальной зоны и внутренней - защитной зоны, которые определяются изменяющимися во времени параметрами движения самолёта и отображаются на экране диспетчера системы ОВД компьютером прогнозирования конфликтных ситуаций. До тех пор пока маршруты полёта самолётов проходят на достаточном удалении друг от друга, и внешние сигнальные зоны не соприкасаются, диспетчер уверен, что эшелонирование отвечает всем требованиям безопасности полётов, и экипаж волен маневрировать по своему усмотрению. В том случае, когда внешние сигнальные зоны соприкасаются, диспетчер оценивает скорость и прогнозируемое направление полёта двух самолётов и выдаёт рекомендации для выполнения требуемых манёвров уклонения. Таким образом, внутренним защитным зонам никогда не будет позволено соприкоснуться. В перспективе предполагается введение иерархии процедур ОВД, начиная от свободного маневрирования и до управления в соответствии с традиционными процедурами - в зависимости от динамической плотности конфликтных ситуаций и диаграммы движения воздушных судов в пределах выделенного диспетчеру сектора обзора. В рамках концепции "Фри Флайт" основной целью является минимизация "принуждающих" процедур управления на уровне, который позволяет обеспечить безопасность полётов и требуемое эшелонирование. Руководитель ФАА г-н Хинсон отмечает, что столь радикальное изменение процедур управления "требует тщательного рассмотрения для гарантии того, что изменения безопасны, рабочие нагрузки как экипажей, так и диспетчеров находятся в допустимых пределах, а потенциальные преимущества могут быть практически реализованы. Чётко определённые и разграниченные сферы ответственности диспетчеров и лётчиков, использование защитных и предупреждающих зон вокруг летящих самолётов для предотвращения столкновений - вот ключевые элементы проекта "Фри Флайт". Очевидно, что возможности экипажей менять маршрут, воздушную скорость и высоту будут ограничены в загруженных аэропортах, где такие действия невозможны из-за высокой плотности движения воздушных судов".ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ФИРМОЙ "КОЛЛИНЗ"
Помимо организационных усовершенствований в условиях выполнения полётов связанные с внедрением "Фри Флайт" изменения потребуют постепенно ввести ряд технических новшеств. Одно из них - создание семейства систем бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО), основанное на использовании спутниковой информации (AVSAT) и разработанное фирмой "Коллинз" с учётом новых требований к системам CNS/ATM (комплекс средств связи, навигации, наблюдения для организации воздушного движения) по концепции "Фри Флайт". Так как концепция продолжает развиваться, БРЭО семейства AVSAT построено на базе гибких технических решений, позволяющих оперативно отслеживать эти изменения и преобразования. По мнению специалистов, определяющими для "Фри Флайт" станут четыре базовых комплекса БРЭО, от надёжности и качества работы которых будет зависеть успех всей программы:- комплекс средств связи для обмена данными о текущем местоположении и направлении движения каждого воздушного судна с другими самолётами;
- навигационная система независимого и точного определения местоположения воздушного судна и посадки в автоматическом режиме;
- комплекс автоматизированных средств наблюдения и предотвращения конфликтных ситуаций в воздушном пространстве;
- система электронной индикации и отображения информации в кабине, обеспечивающая экипаж информацией о параметрах полёта и о состоянии систем в ясной, логичной и недвусмысленной форме.
КОМПЛЕКС СРЕДСТВ СВЯЗИ
Возможность осуществления обмена данными через радиоканал является основой, обеспечивающей новый способ организации движения в воздушном пространстве. Независимо от того, осуществляется ли связь посредством УКВ или спутниковой связи, самолётного адресного ответчика режима S или KB каналов обмена данными, она будет обеспечивать быстрое и надёжное взаимодействие, необходимое для того, чтобы сделать "Фри Флайт" действительно жизнеспособной концепцией. Прообразом перспективной системы связи может являться сертифицированная и используемая многими авиакомпаниями система SAT-906 фирмы "Коллинз" - первая в мире шестиканальная спутниковая система связи для обмена данными. Полностью интегрированная система обеспечивает экипаж цифровой и речевой связью, а пассажиров - телефонной, факсимильной и компьютерной связью. Один канал предназначен для обмена данными с экипажем и оборудованием самолёта, остальные пять позволяют пассажирам использовать в полёте телефон, факс и информационные каналы связи. Модульная конструкция системы позволяет каждой авиакомпании заказывать нужную ей конфигурацию, выбирая желаемое количество каналов без изменения базовой аппаратной части. Система соответствует требованиям к аппаратуре FANS-1 (Перспективная аэронавигационная система). Посредством интеграции системы спутниковой связи с самолётным ответчиком режима S, KB каналом обмена данными и УКВ системами, авиакомпании могут реализовать преимущества автоматического зависимого наблюдения (ADS). Используя ADS, воздушное судно, которое находится вне зоны контакта с обычными радиосредствами, может автоматически сообщать УВД о своём местоположении в реальном масштабе времени через спутниковый канал связи. Кроме того, фирма "Коллинз" разрабатывает семейство высокочастотных радиосредств обмена данными (HFDL) для работы в диапазоне КВ. Эта функциональная возможность может быть добавлена к некоторым уже установленным на самолётах стандартным радиостанциям, тем самым устраняя необходимость установки отдельных информационных модемов и интерфейса связи с ними. HFDL - это перспективная высокочастотная система связи, обеспечивающая одновременно как передачу данных, так и обмен речевыми сообщениями. Система освобождает экипаж от потерь времени и трудностей управления, которые всегда ассоциируются с KB речевой связью, выполняя автоматическую отправку сообщений по цифровому каналу связи. Продолжительный по времени процесс определения и настройки каналов и частот автоматизирован. Система подвержена влиянию атмосферных помех в гораздо меньшей степени, чем KB радиостанции, обеспечивающие только речевую связь. Для успешной работы перспективных систем обмена данными фирмой "Коллинз" были созданы подсистемы и аппаратура, соответствующие имеющимся требованиям и потенциальным изменениям, связанными с развитием концепции "Фри Флайт". Блок управления каналом обмена данными DLM-900 осуществляет взаимодействие между основными бортовыми радиосистемами (УКВ или спутниковой радиостанцией SATCOM) и бортовыми подсистемами - такими, как система самолётовождения и система сбора и регистрации полётных данных, которые являются и источником, и потребителем информации. DLM-900 совместим с архитектурой авиационной телекоммуникационной сети обмена данными (ATN), способной поддерживать взаимодействие с рутером ATN (рутер или маршрутизатор - это устройство, соединяющее подсети обмена данными между собой). Блок отвечает требованиям перспективных систем FANS (перспективная аэронавигационная система) и CNSS (система связи, навигации и наблюдения), а также существующих систем - ACARS и FANS-1. Приёмопередатчик речевой и цифровой информации VHF-900 способен работать в частотном диапазоне, уменьшенном до 8,33 Кгц, и использовать высокоскоростной протокол обмена данными, который в настоящее время определён для использования в сетях ATN.НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Использование глобальной спутниковой навигационной системы (GNSS) обеспечивает высокоточную функцию самолётовождения и является вторым ключевым техническим элементом в концепции "Фри Флайт". Поскольку роль приёмника системы спутниковой навигации (GPS) является исключительно важной, фирма "Коллинз" разработала и выпускает специализированный GPS-приёмник, предназначенный для использования в коммерческом воздушном транспорте. Как отмечают представители фирмы, эта разработка с определённым уровнем избыточности обеспечивает всю совокупность технических потребностей навигации в современных условиях. Устройство приёмника позволяет отслеживать вероятные изменения систем ОВД и наращивать его возможности в будущем в соответствии с развитием требований к навигационным системам. Устройство, названное "GPS для коммерческого применения" (CAGA), представляет собой модификацию разработанного ранее для военного применения оборудования. Для обеспечения инструментальной посадки с использованием данных спутниковой навигации создан многорежимный приёмник GLV-900, объединяющий функции ILS, MLS (микроволновой системы посадки) и GPS в одном интегрированном блоке. Устройство обеспечивает авиакомпаниям экономически эффективное решение перехода в ближайшем будущем к использованию метода "дифференциальной" посадки по информации GPS-приёмника. Подсистемы ILS и GNSS являются основными для приёмника системы автоматической посадки, а MLS может быть использована при необходимости. GLV-900 совместим с существующими системами автоматического пилотирования и системами электронной индикации (аналогично системе ILS) и обеспечивает выполнение требования для аппаратуры автоматического пилотирования и для автоматической посадки по резервированию каналов. Обеспечивается выполнение требований по точности, надежности и целостности, предъявляемых к "критическим" характеристикам посадки по категории 111В. К настоящему времени определены две конфигурации системы: GLU-900 - реализация ARINC-710 и GNLU-900 - реализация ARINC-547, причем последняя включает функцию VOR, а также возможность подключения полнорежимной функции системы самолётовождения.СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ КОНФЛИКТНЫХ СИТУАЦИЙ В ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Помимо своей исходной роли обеспечения эшелонирования потоков воздушного движения, система наблюдения через объединение функций точной навигации и связи приобретает новое качество. Практическое использование режима автоматического зависимого наблюдения (ADS), реализуемое через развитие спутниковых систем связи, значительно улучшает осведомлённость о воздушной обстановке как на борту самолёта, так и на земле. Функциональные возможности ADS и его способность разрешать конфликтные ситуации в воздухе являются одним из основных принципов реализации концепции "Фри Флайт". Системы предупреждения столкновений самолётов в воздухе (TCAS), как реализующие схему безопасности полётов, несомненно, будут сохранены в качестве элемента развивающейся системы ОВД. Возможность системы TCAS определять и отображать положение других самолётов, оборудованных самолётным ответчиком, а также в случае необходимости вычислять и "подсказывать" маневр уклонения, значительно повышает степень осведомлённости лётчика об окружающей обстановке и облегчает его работу. Система TCAS II фирмы "Коллинз" предоставляет экипажу самолёта базовые рекомендации по разрешению конфликтных ситуаций в воздушном пространстве, обеспечивая тем самым разведение самолётов по эшелонам в соответствии с существующими требованиями безопасности - это набор высоты, снижение или сохранение текущей высоты. В случае непосредственной угрозы система автоматически взаимодействует с системой TCAS II самолёта, вторгающегося в защищаемое системой пространство, для выработки корректирующих действий или предупреждающего уклонения. На дисплеях системы электронной индикации показывается положение "нарушителя" с целью установления и сохранения визуального контакта, что повышает уровень безопасности полёта.СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Средства отображения информации, полученной через линию обмена данными, и навигационной информации предполагается интегрировать в единую систему отображения информации в кабине экипажа. Методы обработки и простота отображения информации, разрабатываемые в рамках концепции "Фри Флайт", должны значительно упростить процедуры работы и подготовку экипажей. Система дисплеев отображает окружающую навигационную обстановку в режиме "карта" намного информативнее, чем плановый навигационный прибор, размещённый на многих современных самолётах. Система индикации может обеспечивать отображение дополнительных сообщений и выдачу предупреждающих сигналов. Для удовлетворения требований работы с перспективными ОВД фирма "Коллинз" разрабатывает 5 дюймовый (12,7 см) жидкокристаллический дисплей (ЖКД). Дисплей имеет большую (4,2 на 4,2 дюйма) рабочую зону, а применение компенсационной технологии позволило увеличить угол обзора дисплея до ± 60°. ЖКД имеет среднее время наработки между отказами 12000 часов, что примерно в четыре раза больше, чем у электромеханических приборов. Кроме того, стоимость нового ЖКД приблизительно на 50% меньше стоимости дисплеев на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ).Концепция "Фри Флайт" приближается к этапу своего практического осуществления. Авиационная промышленность, создав значительное количество систем, органично входящих в новые системы ОУВД, уже вплотную подошла к тому, чтобы практически приступить к созданию интегрированных комплексов. Концепция "Фри Флайт" - проект, который потенциально способен привести к революционным изменениям в мировой системе организации и управления воздушным движением.