+7 (495) 720-68-84 Заказать звонок Отправить заявку

Часы работы с 9:00 до 18:00

Консультации по телефону с 8:00 до 21:00

Новости компании "Сервис Гео"

Статьи по теме изысканий и аэрофотосъемки 

Проблемы и совершенствование данных по структуре воздушного пространства

Cовершенствование данных по структуре воздушного пространства

Авторская статья Гучкова Владимира Кузьмича о совершенствовании информации структуры воздушного пространства

В целях организации эффективных и безопасных полетов в воздушном пространстве Российской Федерации определена и периодически модернизируется структура воздушного пространства (СВП) – совокупность некоторых геометрических объемов. Местоположение элементов СВП задаются относительно общеземного эллипсоида геодезическими координатами, высотой и линиями их соединяющими.
К одним из наиболее значимых и динамичных элементов СВП, определяющих возможные траектории воздушных судов (ВС), относятся воздушные трассы (ВТ) и зоны ограничения полетов (ЗОП). Данные о ВТ и ЗОП публикуются в официальных навигационных документах и применяются на различных этапах подготовки, выполнения и обеспечения полетов.
Очевидно, что основные требования к информации о СВП (объем, полнота, структура, формат, точность, целостность и т.д.) должны определяться исходя из потребностей основных пользователей этих данных:

  • экипажи воздушных судов,
  • авиакомпании,
  • службы организации воздушного движения,
  • производители бортового и наземного оборудования,
  • организации–поставщики продуктов аэронавигационной информации,
  • другие службы, оказывающие услуги авиационной деятельности.
Вместе с тем практика показывает, что навигационные данные о СВП имеют целый ряд недостатков, заключающихся в не учете существенной особенности их использования. А именно - широкого применения всеми пользователями средств автоматизации на основе компьютерных технологий.
Данные о СВП используются на всех этапах автоматизации процессов организации, планирования и непосредственного управления воздушным движением. Траектории полета ВС, при этом, выбираются, уточняются и реализуются в условиях многочисленных ограничений, в том числе и погодных, с учетом формы земной поверхности. Это обусловливает необходимость разработки сложных программных комплексов, включающих решение целого ряда уникальных расчетных траекторных задач.
Исходная информация о СВП, при этом, преобразуется пользователями в вид учитывающий особенности математических методов и алгоритмов функциональных задач и заносится в специализированные базы данных.
Рассмотрим более детально состав, структуру и основные характеристики публикуемых данных о ВТ и ЗОП.
Воздушные Трассы РФ
Воздушные трассы (ВТ) представляют собой контролируемое воздушное пространство в виде коридоров ограниченных по высоте и ширине и проходящих по кратчайшему расстоянию (ортодромии) между пунктами маршрутов полета.

Данные о ВТ содержались в официальных аэронавигационных документах СССР, а позже и в РФ и выпускались в виде Перечня ВТ.
Действовавший до 15.09.2010 г. перечень ВТ РФ включал данные о 904 воздушных трассах, содержащих информацию о 6351 маршрутом пункте и их геодезических координатах. При этом количество уникальных пунктов маршрутов (не повторяющихся) составляло 3164. То есть имело место более чем двукратное дублирование наиболее ответственной, объемной и сложно контролируемой координатной информации. Это объясняется тем, что каждый из пунктов маршрута какой-либо ВТ может быть включен и в другие ВТ.
С 15 сентября 2010 года данные о ВТ, в соответствии с Приказом Минтранса РФ, выпускаются в виде сборника Маршрутов обслуживания воздушного движения. На сегодняшний день сборник включает данные о 486 маршрутах, содержащих информацию о 2248 маршрутных пунктах и их геодезических координатах. Как можно видеть количество содержащихся в нем пунктов маршрутов по сравнению с Перечнем ВТ меньше почти в 3 раза. В настоящее время осуществляется существенная доработка сборника в направлении увеличения количества включенных в него маршрутов полета. Поэтому при дальнейшем анализе будем ориентироваться на количественные характеристики, содержащиеся в Перечне ВТ РФ.
Как показывает анализ и в Перечне ВТ и в Сборнике Маршрутов приведены не все выполняемые по ВТ траектории полетов. В этих документах через понятия Воздушная Трасса и Маршруты обслуживания воздушного движения неявно задана Сеть ВТ – совокупность возможных обслуживаемых траекторий полетов ВС. Это с очевидностью следует из наличия в них траекторий, состоящих лишь из одного участка полета, соединяющего, как правило, какие-либо две ВТ или два Маршрута. То есть такие участки обеспечивают переход между различными траекториями, объединяя их в некоторую сеть возможных траекторий полета, а именно - Сеть ВТ.
Такой подход к описанию ВТ сложился исторически, начиная с установления первых повторяющихся маршрутов полета, когда ввиду их небольшого количества отсутствовала необходимость объединения их в Сеть. В настоящее время ситуация кардинально изменилась. Имеет место большое количество выполняемых полетов. Возрастают
требования к обеспечению их безопасности, экономичности и регулярности на основе широкого применения компьютерных технологий. Это, в свою очередь, предопределяет использование эффективных алгоритмов при разработке программного обеспечения (ПО).
Известно, что теория графов с еѐ сетевой организацией данных сегодня составляет основу эффективной математики в области решения транспортных задач. Вместе с тем существующая структура данных о ВТ заставляет всех пользователей создавать, отлаживать и поддерживать сложное программное обеспечение (ПО) для "извлечения" Сети ВТ из Перечня ВТ.
Вывод очевиден: - централизованная подготовка и публикация данных в виде Сети ВТ является сегодня важным направлением повышения эффективности деятельности всех аэронавигационных служб. При этом необходимо учесть и то, что многие пользователи широко применяют в качестве справочных данных информацию о Маршрутах полетов, содержащиеся в Перечне ВТ РФ.
Предлагаю: данные о ВТ в официальных аэронавигационных документах представлять Сетью ВТ совместно со списком выполняемых на этой сети повторяющихся Маршрутов полетов. В целом документ может быть представлен в виде следующих двух взаимосвязанных разделов:

    1. Сеть ВТ в Лучевой структуре – список и параметры вершин (пунктов маршрутов) и исходящих из них лучей (путей) к смежным вершинам. Параметры вершин:
      • - уникальный порядковый номер,
      • - уникальное буквенное наименование,
      • - геодезические координаты местоположения вершины,
      • - список порядковых номеров смежных вершин.

      Параметры лучей:

      • - номера разрешенных эшелонов полета в направлении смежных вершин.
    2. Список повторяющихся Маршрутов полетов, представленный уникальными порядковыми номерами пунктов их маршрутов (вершин).
    3. Предлагаемый вариант организации данных по Сети ВТ апробирован автором в ряде НИР и показал высокую эффективность, как при подготовке исходной информации, так и в процессе эксплуатации разработанного на еѐ основе ПО.
    4. Зоны ограничения полетов
      Зона ограничения полетов (Z) – это воздушное пространство, в котором полет ВС запрещен либо ограничен. Ограничение может быть постоянным либо установленным на некоторое время.
      Информация о всех Z выпускается в виде сборника, содержащего описание их параметров и пространственное расположение относительно общеземного эллипсоида.
      Типы ограничений по каждой Z берутся из официальных публикаций, и подразделяется на:
      1. Предупреждение,
      2. Предостережение,
      3. Опасность,
      4. Зона полетов ВВС,
      5. Зона национальной безопасности,
      6. Запретная зона,
      7. Ограниченная зона,
      8. Тренировочная зона,
      9. Оповещение,
      10. Не определено.

Данные, характеризующие расположение Z, определяют в воздушном пространстве разного вида объемы, которые имеют ограничения по высоте, а на земной поверхности отображаются следующими двумя типами геометрических фигур:

    • Круг, заданный его радиусом и геодезическими координатами центра;
    • Полигон, заданный перечнем геодезических координат вершин его ограничивающих, а также данными о типе и характере линий между его смежными вершинами, в качестве которых допускаются:
      - ортодромия,
      - локсодромия,
      - дуга окружности заданного радиуса:
      - по часовой стрелке,
      - против часовой стрелки.
Материалы сборника Z, имеют строковую организацию. В таблице 1 приведены количественные характеристики, дающие некоторые представление о сборнике в целом, а также входящих в него элементах.
Таблица 1 Кол. строк в сборнике Z = 5187. Общее кол. Z = 993 Z типа Круг: количество Z = 202; Z типа Полигон: количество Z = 791, суммарное кол. вершин во всех Z = 4985, максимальное кол. вершин в одной Z = 38, количество типов линий между вершинами Z: ортодромий: = 4543, локсодромий = 347: кол. совпадений с меридианом = 76; дуг окружностей = 95: по часовой стрелке = 80, против часовой стрелки = 15.
Как можно видеть, данные о зонах ограничения полетов включают более 5000 строк, в которых представлены 993 зоны. Основным типом зон (80 %), являются Полигоны. Они имеют достаточно сложную структуру. Периметр Полигонов между его вершинами представлен разнотипными геометрическими элементами – ортодромиями, локсодромиями и дугами окружностей. Они определяют на общеземном эллипсоиде сложные пространственные линии с переменной кривизной. Не имеют конечных аналитических выражений, а математически могут быть формализованы лишь системами дифференциальных уравнений. Рассмотрим эти три типа линий с точки зрения их последующего использования.

Ортодромия

Как уже отмечалось, СВП организуется в интересах обеспечения полетов ВС, которые должны выполняться согласно аэронавигационных документов по ортодромиям, то есть по кратчайшему пути между смежными пунктами заданного маршрута. Это означает, что в аэронавигации ортодромия – основной структурный элемент воздушного пространства. Поэтому применение ортодромий в сборнике Z не вносит дополнительных вычислительных
проблем в алгоритмы комплексной обработки пространственной аэронавигационной информации. Как можно видеть из таблицы 1 количество ортодромий в описании Полигонов доминирует, и составляет более 92%.

Локсодромия

представляет собой линию между двумя точками поверхности эллипсоида, которая пересекает все меридианы под одним и тем же углом. В соответствии с приведенным определением к локсодромиям относятся и параллели и меридианы. С учетом того, что меридианы являются также и ортодромиями, количество локсодромий в описании Полигонов составляет менее 6%.
Следует отметить также высокую сложность алгоритмов высокоточного определения взаимного расположения локсодромии с другими элементами СВП, например, с маршрутом ВС – полилинии, состоящей из ортодромий.

Дуга окружности

Прежде всего, следует отметить некорректность применения к поверхности земного эллипсоида плоскостных понятий окружность и дуга окружности. Но если даже будем исходить из того, что эти линии представляют собой отображение элемента границы Полигона не на поверхности эллипсоида, а на касательной плоскости к заданному центру соответствующих окружностей, то и в этом случае применение дуг окружностей имеет ряд существенных недостатков. Рассмотрим это несколько подробнее.
В число параметров, которыми определяются дуги окружности, входят:
- геодезические координаты двух смежных вершин границы зон, которые соединяются дугой окружности,
- радиус дуги окружности,
- признак направленности дуги - по или против часовой стрелки,
- геодезические координаты центра дуги окружности,
- пеленг вершины начала дуги окружности из центра дуги окружности.
Очевидно, что последние два параметра могут быть получены из первых трех путем расчетов. То есть имеет место избыточность данных, которая может приводить к их противоречивости и погрешностям при дальнейшем использовании.
Проведенные оценки подтверждают это. Несовпадение заданных радиусов дуг окружностей и их расчетных радиусов, составляют величины:
0 – 200 м …….. для 73% дуг окружностей,
200 – 800 м …..… для 24% дуг окружностей,
2000 м ….... для двух дуг окружностей,
а в одном случае разница достигает величины 3000 м.
Конечно же, такие погрешности в официальной исходной информации о Z - недопустимы. Это более чем на два порядка ниже точности определения координат, обеспечиваемые спутниковыми навигационными системами даже без дифференциальной обработки их данных.
По характеру и величинам погрешностей данных для дуг окружностей можно предположить, что их подготовка осуществлялась путем съема с каких-либо навигационных карт, в которых всегда присутствуют искажения углов и расстояний.
Основные рекомендации по модернизации зон ограничения полетов
Принимая во внимание разнообразие типов линий между смежными вершинами Полигонов, сложность их последующей совместной математической обработки с другими элементами СВП, а также величины погрешностей, имеющих место для дуг окружностей, наиболее рациональным представляется сохранение в качестве элементов границ лишь ортодромии.
Для проведения такой модификации данных автором разработано специализированное ПО, позволяющее для границ Полигонов аппроксимировать ортодромиями другие типы их линий. То есть перейти на единую форму линий для Полигонов, такую же, как и для маршрутов полета ВС. При этом замена исходных локсодромий и дуг окружностей осуществляется Полилинией, состоящей из минимального количества ортодромий, обеспечивающих параметрически задаваемую точность аппроксимации. К недостатком такого подхода следует отнести значительное увеличение количества вершин Полигона, особенно это касается дуг окружностей. Поэтому представляется целесообразным проводить модификацию данных путем сочетания компьютерного подхода с проработкой реальной ситуации на местах.
Представляется также целесообразным в сборнике располагать описания данных для зон типа Круг и типа Полигон раздельно. Это позволит детализировать количественное представление о структуре данных и более рационально осуществлять их дальнейшее использование.

Дополнение к статье
В настоящее время при подготовке баз данных для формата и содержания файлов аэронавигационных данных широко применяется ARINC 424 - стандарт, рекомендуемый авиационной промышленностью. Вместе с тем практика его применения порождает целый ряд взаимообусловленных недостатков.
Так, например, применение этого стандарта при описании Зон ограничения полетов, приводит к следующим негативным последствиям:
создает избыточность исходных данных при описании дугами окружностей границ Зон ограничения полетов типа Полигон, что приводить к их противоречивости и погрешностям при дальнейшем использовании;
предопределяет большие методические ошибки их пространственного расположения (в отдельных случаях до 3км);
определяет необходимость при моделировании, анализе и визуализации воздушной и наземной обстановки разрабатывать сложные математические методы и алгоритмы совместного координатного представления элементов структуры воздушного пространства и геометрии Зон ограничения полетов;
увеличивает суммарные ошибки обработки аэронавигационных данных;
затрудняет унификацию и сопряжение программного обеспечения систем, особенно создаваемых различными ведомствами.
Понятно, что в совокупности перечисленные последствия применения стандарта ARINC 424 отрицательно отражаются на всех основных показателях эффективности информационных технологий в области аэронавигации.
Вывод: Требуется незамедлительная корректировка стандарта ARINC 424 и уточнение методик его применения.

Источник - журнал Геопрофи

Контактная информация: тел.: 8-910-429-50-45.
E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.