Современные автоматические системы посадки летательных аппаратов и информационное обеспечение

Введение

В настоящее время существенной проблемой, характерной как для пилотируемых, так и для беспилотных летательных аппаратов (БЛА), является высокий уровень аварийности на этапах взлёта и посадки, значительно превышающий аварийность в течение полёта [1]. Это связано, главным образом, со следующими проблемами:

1. Влияние человеческого фактора

Влияние человеческого фактора, характерными чертами которого являются недостаточное владение информацией летным составом и операторами аэродрома о воздушной и наземной обстановке, а также отсутствие у большинства членив наземного экипажа лётного опыта и полной информации о состоянии воздушного судна.

Известно, что потери более трети БЛА MQ9 Reaper явились следствием ошибок, допущенных операторами, около 50% БЛА типов Hunter и Pioneer попадали в аварийные ситуации при посадке, а 70% аварий с БЛА типа Pioneer произошли в результате влияния человеческого фактора. Оператор наземного пункта управления, в отличие от лётчика, не воспринимает перегрузки, действующие на ЛА. В силу этого операторы БЛА при управлении в ручном режиме часто превышают предельные значения вертикальной скорости снижения при приземлении на взлётно-посадочную полосу.

Авария самолёта B-747 при посадке на аэродроме Бишкека 16 января 2017 г. показала, что переход на ручное управление из автоматического режима в непосредственной близости от земной поверхности сопряжён с высокими рисками в силу того, что процесс «включения» лётчика в контур управления имеет некоторую динамику, определяемую, в том числе, сложностью ситуации, в которой приходится осуществлять «включение», а также лётным опытом лётчика. Руководством по всепогодным полётам ICAO предложено исключать передачу несущественных данных от органов управления воздушным движением ЛА, находящимся на критических этапах полёта. В силу упомянутых выше причин для БЛА данный вопрос ещё более критичен.

2. Влияние «технического» фактора

Высокие погрешности инерциальных навигационных систем (ИНС) [2, с. 8-17] и погрешности существующих инструментальных средств захода на посадку [2, с. 8-17] могут привести к превышению предельно допустимых отклонений ЛА от заданной траектории, а также к нарушению ограничений, накладываемых на параметры положения и движения ЛА при приземлении на ВПП и последующем движении по ней вплоть до полной остановки.

Перечисленные выше проблемы решают за счёт:

1. Частичного исключения влияния человеческого фактора на безопасность полёта на этапе совершения посадки за счёт создания систем автоматической посадки (САП).

Разработкой САП занимаются такие авиастроительные компании, как Boeing, Airbus, Northrop Grumman, General Atomics, Sukhoi Civil Aircraft (совместно с Thales), BAE Systems, Diamond Aircraft Industries, «Компания «Сухой», РСК «МиГ», а также ряд научно-исследовательских организаций: германский аэрокосмический центр GAC, Корейский институт передовых технологий KAIST, ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА) и др.

Категории ICAO – это стандартизированные уровни точности и надежности Instrument Landing System (ILS) и экипажа, определяющие минимальные погодные условия, при которых разрешен заход на посадку. Международной организацией гражданской авиации ICAO определены эксплуатационные категории (посадочные минимумы) I, II, IIIA, IIIB и IIIC, характеризуемые высотой принятия решения и дальностью видимости ВПП.

Ключевые определяющие параметры:

DH (Decision Height) / DA (Decision Altitude): высота принятия решения. Высота, на которой экипаж должен либо увидеть ВПП для продолжения посадки, либо начать уход на второй круг.

RVR (Runway Visual Range): дальность видимости на ВПП. Измеряется в метрах специальными приборами (трансмиссометрами).

Категория I (CAT I) – «Пилотируемый заход с наведением».

Минимумы: DH ≥ 60 м, RVR ≥ 550 м (или 800 м при отсутствии огней центральной линии ВПП).

Как работает: самолет (часто с помощью автопилота или директорных стрелок) следует за сигналами ILS по курсу и глиссаде.

На высоте принятия решения (DH) пилот обязан визуально обнаружить огни ВПП или ее окружающие ориентиры. Если видимости нет – немедленный уход на второй круг. Автопилот часто отключается после DH, и посадка завершается вручную.

Категория II (CAT II) – «Высокая автоматизация с пилотским контролем».

Минимумы: 30 м ≤ DH < 60 м, RVR ≥ 300 м.

Как работает: требуется более точный ILS CAT II и дублированные/резервированные системы автопилота на борту. Снижение полностью автоматическое или под строгим контролем директорных стрелок.

Пилоты активно контролируют работу автоматики. На DH командир воздушного судна (КВС) должен принять решение на основе визуальной информации. Посадка может быть как ручной (с HUD), так и автоматической.

Требования:

Категория III (CAT III) – «Автономная посадка».

Здесь система должна быть Fail-Operational (сохранять работоспособность после единичного отказа) или даже Fail-Passive (при отказе не давать ложных команд, а просто «уходить в сторону», инициируя уход на второй круг).

IIIa – Автоматическая посадка.

Минимумы: DH < 30 м или отсутствует, RVR ≥ 200 м.

Экипаж не обязан иметь визуальный контакт с ВПП в момент пролета DH. Система выполняет полностью автоматическую посадку и выравнивание.

IIIb – Автоматические посадка и пробег.

Минимумы: DH < 15 м или отсутствует, 50 м ≤ RVR < 200 м.

Автоматика выполняет посадку и пробег по центру ВПП до безопасной скорости руления (обычно до полной остановки или до очень малой скорости). Пилоты контролируют процесс, но не вмешиваются в управление до окончания пробега. После остановки в условиях нулевой видимости они могут запросить помощь для выруливания.

IIIc – Полностью нулевая видимость.

Минимумы: DH = 0, RVR = 0.

Теоретический предел. Предполагает полностью автоматические посадку, пробег и руление до стоянки.

Проблема: не сертифицирована нигде в мире для гражданской авиации, так как требует сверхнадежной автоматической системы навигации по перрону. Защиты от столкновений с другими объектами на земле. Полной автоматизации наземного движения.

2. Использования при создании САП достижений современной теории автоматического управления, теории фильтрации и комплексирования информации. Более подробное рассмотрение данных вопросов не является предметом настоящей статьи.

3. В настоящее время, насколько можно судить по открытым источникам информации, проблема противодействия дистанционному воздействию решается, главным образом, за счёт разработки помехозащищённых каналов связи.

Основные компоненты систем автоматической посадки

Автоматическая посадка опирается на несколько ключевых элементов:

• Навигационные системы: ILS предоставляет локалайзер (для горизонтального направления) и глиссадный маяк (для вертикального). Микроволновая система посадки (MLS) предлагает более гибкие траектории, но менее распространена [3].
• Бортовые датчики: радиовысотомеры, инерциальные навигационные системы (INS) и GPS-датчики измеряют высоту, скорость и позицию. В современных системах добавлены камеры и компьютерное зрение для визуальной верификации.
• Автопилот и автотроттл: автопилот управляет рулями (элеронами, рулем направления, элеватором), а автотроттл регулирует тягу двигателей для поддержания скорости [4].
• Системы мониторинга: дублированные компьютеры и датчики обеспечивают отказоустойчивость. Например, в CAT III Dual Autoland используются два автопилота для посадки без высоты принятия решения (NO DH), с видимостью до 75 метров.

Информационное обеспечение играет критическую роль: данные от датчиков обрабатываются в реальном времени с использованием алгоритмов Kalman-фильтров для фильтрации шумов и предсказания траектории.

Современные автоматические системы посадки

В последние годы системы autoland стали более автономными. Garmin Autoland, введенная в 2019 году, предназначена для малой авиации и активируется автоматически при потере сознания пилота. Система оценивает погодные условия, топливо, рельеф и выбирает ближайший подходящий аэропорт, затем выполняет посадку и остановку. В декабре 2025 года Autoland впервые использовалась в реальной чрезвычайной ситуации на Beechcraft King Air B200, где система справилась с потерей давления в кабине на высоте 23 000 футов [5].

Для коммерческой авиации Airbus разработала ATTOL (Autonomous Taxi, Take-Off and Landing), использующую компьютерное зрение и машинное обучение для автономной посадки без зависимости от наземных маяков. Проект IMBALS от ScioTeq фокусируется на Vision Landing System (VLS), где камеры и обработка изображений позволяют полностью автоматизированную посадку на основе визуальных данных.

В 2026 году системы интегрируют ИИ для предиктивного анализа, снижая задержки и повышая безопасность. Например, гибридные ILS/GBAS обеспечивают резерв и гибкость [3].

Информационное обеспечение в системах посадки

Информационное обеспечение включает сбор данных из множественных источников для точного управления. Бортовые компьютеры обрабатывают данные от:

• Спутниковых систем: GPS с augmentaцией (WAAS, EGNOS) для точности до сантиметров.
• Наземных станций: ILS и GBAS передают корректировки в реальном времени.
• Бортовых сенсоров: лазерные дальномеры, радары и камеры для обнаружения препятствий.
• ИИ и ML: алгоритмы предсказывают турбулентность и корректируют траекторию на основе исторических данных.

В Garmin Autoland информация о погоде, рельефе и аэропортах извлекается из базы данных, обновляемой в реальном времени. Для беспилотников (UAV) системы используют облачные вычисления для глобального мониторинга [5].

Применение и преимущества

Автоматические системы применяются в коммерческой, военной и общей авиации. В коммерческих рейсах они снижают нагрузку на пилотов и минимизируют задержки – до 75% посадок в плохую погоду выполняются автоматически. В военной авиации они обеспечивают точность в боевых условиях. Для дронов ATTOL позволяет автономные операции без пилота.

Преимущества: повышенная безопасность, экономия топлива, снижение человеческого фактора. Однако требуют регулярной сертификации и обучения экипажа.

Будущие тенденции

К 2030-м годам ожидается полная интеграция ИИ для «нулевой видимости» (CAT IIIc). Гибридные системы с компьютерным зрением заменят традиционные маяки, снижая затраты на инфраструктуру. Разработки включают augmented reality для пилотов и удаленный мониторинг через спутники. Рынок all-weather landing systems растет, фокусируясь на автоматизации для городских воздушных такси (eVTOL).

Заключение

Современные автоматические системы посадки эволюционировали от простых радиомаяков к интеллектуальным платформам с ИИ и компьютерным зрением, обеспечивая безопасность в любых условиях. Информационное обеспечение – основа их эффективности, интегрируя данные для точного контроля. По мере развития технологий авиация станет еще надежнее, открывая новые горизонты для автономных полетов.