Вы когда-нибудь задумывались, как самолеты ориентируются в небе без дорожных знаков и светофоров?
Еще более удивительно то, что рейс из Пекина в Нью-Йорк,-пролетающий более десяти тысяч километров через Тихий океан-может приземлиться с погрешностью всего в несколько десятков метров. За этим достижением стоит сложная навигационная система, о которой большинство людей ничего не знает.
Первое поколение: визуальная навигация и память
Первые самолеты использовали крайне примитивные методы навигации.-пилотам приходилось пользоваться собственными глазами.
Пилоты определяли свое местоположение, ориентируясь на ориентиры на земле, такие как реки, горы, города и железные дороги. По сути, это было похоже на то, как путешественники в древние времена находили свой путь: например, обнаружение пагоды означало бы, что они приближаются к определенному городу.
Однако этот метод имел несколько фатальных недостатков.
Применение технологии отслеживания глаз-в аэрокосмической отрасли: от проектирования кабины пилота до мониторинга состояния пилота – Yingfu Instruments – Платформа для исследования поведения человека – NIRS-визуализация мозга – Поверхностная ЭМГ – Айтрекеры – Системы тестирования распределения давления
Во-первых, нужно было лететь достаточно низко, чтобы ясно видеть землю. Во-вторых, видимость была нулевой в густом тумане, ночью или когда облака закрывали обзор. Несчастные случаи, когда пилоты терялись или сбивались с курса, были обычным явлением во время первых полетов на дальние-дальние расстояния. В то время пилоты буквально рисковали своей жизнью,-ставя на то, что не упустят из виду свои ориентиры.
Второе поколение: инструменты и ручной расчет
К 1920-м годам самолеты стали оснащаться основными приборами, такими как магнитные компасы, указатели воздушной скорости и высотомеры.
Как взлететь на самолете? Изучите взлет и посадку за 3 минуты с помощью этого иллюстрированного руководства_Control
Пилоты полагались на показания этих приборов в сочетании со скоростью и продолжительностью полета, чтобы вручную оценить положение самолета.
Этот метод был улучшением по сравнению с использованием исключительно визуального наблюдения, но недостатки были очевидны: расчеты были невероятно утомительными, а погрешность росла с увеличением пройденного расстояния. Представьте себе,-мельчайшие ошибки, накапливающиеся на протяжении сотен километров, могут привести к отклонению на десятки километров. У штурманов тогда была изнурительная работа: на протяжении всего полета постоянно вычислять координаты с помощью линеек и карт.
Третье поколение: радионавигация.-Наконец, "наземные-указатели"
Радионавигация ознаменовала собой большой шаг вперед в области авианавигационных технологий. Радионавигация начала использоваться в 1930-х годах. Были построены наземные-навигационные станции, а самолеты были оснащены приемниками для определения своего местоположения путем приема радиоволн, передаваемых этими станциями.
Самым классическим примером этого является комбинация VOR (всенаправленного диапазона ОВЧ) и DME (оборудования для измерения расстояния).
Вы можете думать об этом так: VOR сообщает самолету, «в каком направлении вы находитесь от станции», а DME сообщает ему, «как далеко вы находитесь». Зная направление и расстояние, можно определить точное местоположение самолета.
Станция ОВЧ всенаправленного действия (VOR) – Baidu Baike
К 1940-м годам появилась система инструментальной посадки (ILS), специально разработанная для обеспечения безопасной посадки самолетов в условиях плохой-погоды.
Радионавигация значительно превосходила визуальную навигацию и счисление пути-на нее не влияли ни погода, ни темнота, и она обеспечивала гораздо более высокую точность. Однако у него был недостаток: требовалось строительство множества наземных-станций. Поскольку станции нельзя было построить в океанах, пустынях или полярных регионах, самолеты теряли сигнал при пролете над этими районами.
Четвертое поколение: спутниковая навигация-меняет правила игры
Спутниковая навигация появилась в 1963 году. К 1970-м годам глобальные системы позиционирования и навигации достигли зрелости, фундаментально изменив ландшафт авиационной навигации.
Сегодня коммерческие авиалайнеры обычно оснащены несколькими системами спутниковой навигации, обеспечивающими точность позиционирования в пределах метрового диапазона. Даже при полете над обширным Тихим океаном без наземных-ориентировочных точек спутники позволяют летательному аппарату определять свое местоположение в-времени.
Как работает технология Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС)? - Чжиху
GNSS — это общий термин, охватывающий такие системы, как GPS в США, BeiDou в Китае, Galileo в Европе и ГЛОНАСС в России.
Стоит отметить, что система BeiDou признана Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) одной из четырех основных мировых спутниковых навигационных систем. По данным Управления гражданской авиации Китая (CAAC), цель состоит в том, чтобы к концу 2025 года полностью внедрить приложения для позиционирования, навигации и наблюдения на базе BeiDou- в авиации общего назначения. Бортовые системы BeiDou отечественного производства уже установлены и работают на основных моделях самолетов.
Однако спутниковая навигация не является панацеей-всех проблем.
Спутниковые сигналы могут быть заглушены, заблокированы или даже подделаны. Итак, если GPS выйдет из строя, самолет «потеряется»?
Ответ — нет. Современные авиационные навигационные системы используют многоуровневый, дублирующий подход.
По своей сути три метода позиционирования работают в тандеме.
Первый — визуальное позиционирование, при котором пилоты определяют свое местоположение, наблюдая за наземными ориентирами,-которые в основном используются во время взлета и посадки.
Второй — счисление пути, при котором текущее положение рассчитывается на основе предыдущего положения и параметров полета; инерциальные навигационные системы являются классическим примером этого.
Третий — геометрическое позиционирование, которое определяет местоположение посредством триангуляции с помощью наземных-навигационных станций или спутниковых сигналов.-Это основная технология для дальних-перелетов.
В частности, навигационная система коммерческого авиалайнера включает в себя как минимум пять уровней резервирования.
Первый уровень — спутниковая навигация GPS/GNSS. Это основной источник для регулярных полетов; он принимает сигналы от более чем 24 спутников и определяет положение самолета с помощью триангуляции.
Второй уровень — это инерциальная навигационная система (INS), которая полностью полагается на внутренние компоненты, а не на внешние сигналы. Он использует гироскопы и акселерометры для измерения ускорения и угловой скорости самолета, а затем посредством интегрирования рассчитывает скорость и положение. Даже если все сигналы GPS потеряны, ИНС продолжает работать независимо. Однако у него есть недостаток: со временем накапливаются ошибки, из-за чего расчетное положение постепенно смещается во время длительных полетов.
Третий уровень – это радионавигация (VOR/DME), служащая резервным-наземным базированием.
Четвертый уровень — это система управления полетом (FMS). Выступая в качестве «мозга» операции, он объединяет и перекрестно-проверяет данные GPS, INS и радиосистем. Если какие-либо данные кажутся аномальными, это немедленно вызывает предупреждение.
Пятый уровень — радар управления воздушным движением (УВД); наземный-радар постоянно следит за самолетом. Даже если все бортовое навигационное оборудование выйдет из строя, авиадиспетчеры смогут использовать радар, чтобы направить самолет на безопасную посадку.
Как видите, если одна навигационная система выйдет из строя, четыре других готовы взять на себя управление. В этом заключается логика проектирования безопасности коммерческой авиации: всегда есть запасной план и, -что особенно важно-никогда не складывать все яйца в одну корзину.
Куда нам идти дальше?
Технологии авиационной навигации продолжают развиваться.
Одним из ключевых направлений является «объединение нескольких-источников»-интеграция различных технологий, таких как спутниковая навигация, инерциальная навигация, визуальная навигация и сопоставление рельефа местности. Это позволяет самолету самостоятельно перемещаться даже в условиях, когда спутниковые сигналы заблокированы или полностью недоступны. Еще одним ключевым направлением является «интеллектуализация»-интеграция искусственного интеллекта в навигационные системы, обеспечивающая самолетам повышенную экологическую осведомленность и возможности автономного принятия решений-.
«Локализация» представляет собой еще одно важное направление: использование системы BeiDou для оснащения китайских самолетов автономным и управляемым «воздушным компасом». Эволюция авиационной навигации за последнее столетие-, охватывающая переход от использования визуальных ориентиров к достижению полного спутникового покрытия-, по сути, представляет собой историю человечества, постоянно расширяющего границы, чтобы сделать полеты все более безопасными.
