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 безопасностицилиндром 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_буфопределяется реакцией пилота на показания приборов - t, реакцией самолета tи времени задержки tв 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_oиD_oобозначим 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;

Vи V- векторы скоростей ВС.

Величина и направление скорости относительного движения Vопределяются 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_oOпредставляет 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_oи скорость его измененияr_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 (TrafficAdvisory–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 VSIобозначаются 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 S₁и 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 порогSи 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 (ResolutionAdvisory–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 наVIS.

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 принятыйRACпоступило 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 наVIS, 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.

Бортовая аппаратура БСПС TCAS II

В состав процедуры TCASIIвходят:

- два приемопередатчика, являющиеся одновременно ответчиками адресной системы вторичной радиолокации;

- компьютерный вычислитель БСПС, выполняющий все функции по управлению работой аппаратуры, а именно:

1- формирование импульсов, инициирующих работу приемопередатчиков;

2- регистрацию и анализ принимаемых сигналов;

3- комплексную обработку всей информации;

4- координацию обмена информацией между БСПС собственного ВС и ВС – нарушителя;

5- формирование данных, для отображения информации на VISКВС и 2-го пилота;

В состав БСПС входят также пульт управления и блок направленных антенн (верхняя и нижняя), которые дополняют систему ненаправленных антенны ответчиков ВРЛ

В качестве датчиков информации для БСПС используются:

- системы воздушных сигналов (СВС), представляющая данные о барометрической высоте полета;

- радиовысотомеры, для определения истинной высоты полета;

- система предупреждения столкновения с землей (GPWS), обеспечивающая выключение БСПС на низких высотах.

В свою очередь, информация от БСПС фиксируется системой регистрации полетных данных и выдается на синтезатор речевых команд для воспроизведения их через систему громкоговорящей связи (СГС).

Режимы работы и отображение информации.

Вся информация отображается на дисплеях VIS(рис.68) . Масштаб дисплея – 6,5 м. мили(11,7км) по направлению полета и 2,5 м мили(4,5км) в противоположном направлении, может изменяться кнопкой “R” на лицевой частиVIS. Отбор отображаемых данных зависит от режима работы БСПС. Установка режима осуществляется переключателем (1) на ПУ БСПС рис.72. Предусматривается четыре режима работы БСПС:

Рис.72. Пульт управления БСПС

1.Резервный режим – STBY(Stung by).В этом режиме ни одна из функций БСПС не выполняется, функционирует толькоVISкак указатель вертикальной скорости ВС. На дисплееVISгорит надписьTCASOFF(белого цвета рис.73).

Рис. 72. Информация на VIS в резервном режиме

2. Режим отображения воздушной обстановки ТА (рис.68). На дисплеяхVISотображаются отметки от всех ВС - нарушителей. Символы отметок характеризуют степень угрозы, создаваемой ВС - нарушителями. У отметок представляются числа в сотнях футов, указывающие высоту ВС - нарушителей относительно собственного ВС, а стрелки показывают направление движения в вертикальной плоскости. В этом режиме БСПС не формирует и не отображает рекомендаций по разрешению конфликта.

3. Режим отображения воздушной обстановки и выдачи информации о рекомендуемом маневре по ликвидации конфликта (TA/RA).Выполняются все функции БСПС. Как и в режиме ТА наVISотображаются отметки всех ВС - нарушителей. Цветные дуги зеленого и красного цветов по периферии экранаVISуказывают разрешенные, т.е. рекомендуемые и запрещенные значения вертикальной скорости движения собственного ВС рис.70 и 71. Помимо отметок ВС - нарушителей на дисплее отображаются команды диспетчеров службы ОВД, адресованные экипажу собственного ВС.

4. Режим проверки работоспособности БСПС и ее элементов- TEST(рис.73,74,75) включается кнопкой 2 на ПУ. Проверки осуществляются в течении 12с., при этом на экранахVISвысвечивается надписьTEST. Вначале на экране отображаются отметки 4-х ВС - нарушителей (рис.73). Далее отображаются номера проверенных частей программного продукта (рис.74), затем результаты тестирования всех компонентов БСПС (рис.75). Напротив названия тестируемого элемента отображается результат ОК (исправен) илиFAIL(неисправен). В заключение проверки выдается речевое сообщение “TCASSYSTEMTESTOK” либо”TCASSYSTEMTESTFAIL”

Зеленый сектор Красный сектор

Рис. 73 Отображение информации в режиме Рис.74 Тестовый контроль