Aeronavigācija

Aeronavigācija ir zinātnes nozare par gaisa kuģu (lidaparātu) vadīšanu pa nosprausto ceļu. Tās pamatprincipi ir identiski vispārējai navigācijai, kas ietver kustības plānošanu, reģistrēšanu un vadīšanu no vienas vietas uz otru.

Aeronavigācija

Aeronavigācijā galvenais ir gaisa kuģošanas drošības noteikumu ievērošana. Aeronavigācijā ir šādi kuģošanas ātrumi: patiesais, ceļa un mēraparātu. Gaisa kuģa maršrutu un kuģošanas ilgumu ierobežo uzņemtās degvielas daudzums. Lielākajai daļai gaisa kuģu lidojuma laikā nav iespējams sagaidīt citu glābšanas palīdzību, kā tikai to, kas ir paredzēta gaisa kuģu drošas ekspluatācijas reglamentos (čeklistēs). Turklāt pastāv sadursmes varbūtība ar šķēršļiem. Tāpēc gaisa kuģu pilotiem ir kritiski svarīgi pastāvīgi apzināties faktisko lidojuma stāvokli.

Metodes, ko izmanto navigācijai gaisā, ir atkarīgas no tā, vai gaisa kuģis lido saskaņā ar vizuālā lidojuma noteikumiem vai instrumentālo lidojumu noteikumiem. Pēdējā gadījumā pilots navigē, izmantojot tikai instrumentus un radionavigācijas palīglīdzekļus, piemēram, speciālus raidītājus, vai arī saskaņā ar gaisa satiksmes vadības sistēmas kontrolē. Vizuālos lidojumos pilots lielākoties navigē, izmantojot aprēķinu un vizuālos novērojumus, kā arī vadoties pēc kartēm. Var izmantojot radionavigāciju vai mākslīgo pavadoņu pozicionēšanas sistēmas.

Mūsdienās orientēšanos gaisa telpā pēc zvaigznēm piloti vairs nepraktizē.

Vizuāls lidojums

Vizuālais lidojums bija pirmais aeronavigācijas veids. Gaisa kuģi nelido pa taisni starp lidlaukiem.^{[nepieciešama atsauce]} Eksistē maršruti vai gaisa trases, kuras savienotas savā starpā, kā lauztas līnijas, kuras var būt gan ļoti garas, gan īsas. Šo līniju virsotnēs atrodas maršruta pagrieziena punkti. Mūsdienu navigācijas metodes ir spējīgas nodrošināt maršrutu pilnībā bez neviena maršruta pagrieziena punkta. Tomēr maršruta lūzuma punktu esamību nosaka bāzes radionavigācijas līdzekļi, lidlauki ceļā pēkšņas vai plānotās nosēšanās gadījumam, lidojumiem aizliegtās zonas u.tml. Aeronavigācijā vizuālie lidojumi gaisa telpā ir bāzes metode, kura aizvien ir izplatīta. Vizuālos lidojumos pilots orientējas gaisa telpā pēc objektiem uz zemes, nosakot maršruta lūzuma punktus un ceļa pareizību. Vizuālā orientēšanās gaisa telpā, kaut arī pieder pie bāzes metodes, nav pilnīgi triviāla (ļoti vienkārša) un no pilota prasa zināmas iemaņas darbam ar ģeogrāfisko karti, kurai ir pietiekoša objektu izšķirtspēja (mērogs 1 cm : 5 km — 1:500 000 vai detalizētāk). Uz kartes precīzi ataino tādu objektu aprises kā: mežu masīvi, gaisvadu elektrolīnijas, torņi, upes, dīķi, pauguri, ciemi, pilsētas u.c. Pirms lidojuma pilots uz kartes ar zīmuli un lineālu nosprauž (zīmē) ceļu. Lidojuma laikā pa aprēķināto kursu, sagaidot ieraudzīt to vai citu objektu, uz kartes. Orientēšanās prasa spēt atrisināt tādas situācijas, ja objekts uz kartes, piemēram, upīte ir pilnīgi skaidri redzama, tomēr dabā tā var būt aizaugusi, kas no gaisa kuģa var būt pilnībā neredzama. Turklāt šādu nelielu upīšu un pieteku var būt daudz. Tas pats, piemēram, ar maziem ciemiem, kuri pārāk daudz viens no otra var neatšķirties ne ar ko īpašu. Tāpēc lidošana pa nepazīstamu maršrutu pilotam var būt izaicinājums, it sevišķi, ja nav labas orientēšanās prasmes.

• 
  Track heading.svg
• 
  Course Heading Track.png
• 
  Navanglsp.svg

Savas orientēšanās spējas pilots uzlabo jau pirms lidojuma un ceļā ved laika uzskaiti — tā saukto stūrmaņa maršruta aprēķinu katram lidojuma iecirknim, ņemot vērā sinoptiķu vēja prognozi, kas gaisa kuģi tiecas nonest no uzņemtā kursa. Tāpēc piloti ievieš koriģējošo kursu attiecībā pret vēja virzienu, ko sauc par nonešanas leņķi. Tas ir leņķis starp gaisa kuģa garenasi un nosprausto ceļa līniju. Starp orientieru punktiem pilots mēra lidojumam patērēto laiku ar sekunžu hronometru. Aprēķina ceļa ātrumu.

Radionavigācija

Divas radiostacijas gaisa kuģa atrašanās vietas noteikšanai līniju krustpunktā

Gaisa kuģošanas pašos pirmsākumos bija jārisina navigācijas uzdevumi situācijās, ja ir migla un mākoņainība no lidošanas līmeņa līdz zemei un nevienu orientieri ārpus gaisa kuģa borta vizuāli nevar saskatīt. Gaisa satiksmē šos uzdevumus sāka risināt pielietojot radio viļņus. Uz zemes uzstāda radio raidītāju, bet gaisa kuģa mēraparāts ar bultiņu rāda radio raidītāja virzienu pret gaisa kuģa degunu vai kādu citu objektu, uz kuru norāda pilots. Virzienu starpību sauc par raidstacijas kursa leņķi. Lai gaisa kuģiem nebūtu jālido šķērsojot tik raidītājus un nonāktu galamērķī pa taisnāko maršrutu, nepieciešams veikt zināmus aprēķinus nepieciešamā kursa noteikšanai. Nedaudz attīstītākos mēraparātos ir uzstādīta otra bultiņa — zemes magnētiskā ziemeļpola rādītājs jeb kompass, kas uzlabo pilotu orientēšanos gaisa telpā. Tomēr jāņem vērā, ka lidojot zemeslodes magnētisko polu tuvumā, kompass reaģēs uz magnētiskajām anomālijām un dos maldinošus — svārstīgus rādījumus. Tāpēc lidojumi tālāk no zemes magnētiskajiem poliem dos uzticamākus kompasa rādījumus. Pat lidojot ar radionavigācijas palīdzību, pilots izmanto karti, lai orientētos gaisa telpā starp izkārtotajiem radio raidītājiem, tāpat ietver nonešanas leņķi un pēc tam, kad bultiņa uz radio raidītāju pagriezīsies pretējā virzienā, uzņems kursu uz nākamo radio raidītāju. Tomēr ne visā gaisa telpā ir pietiekošs radio raidītāju tīkla pārklājums un ir daudz pelēko zonu, kad pilotam jāveic lidojums kādā iecirknī pēc aprēķinātā kursa ar ieslēgtu sekunžu hronometru, līdz sasniedz tuvāko nākamo radio raidītāju u.c.

Pēc radionavigācijas ieviešanas izveidoja gaisa kuģa vietas noteikšanas metodiku, izmantojot vismaz divus radio raidītājus uz zemes. Pēc peilēšanas signāla atgriešanās laika, līniju krustošanās vietā ir gaisa kuģa atrašanās vieta. Tad pēc kāda laika veikt atkārtotu peilēšanu un noteikt ne tikai atrašanās vietu, bet arī nolidoto attālumu un ceļa ātrumu. Nonešanas leņķi nosaka tik pat vienkārši — pēc kursa vidējām korekcijām. Orientēšanās pēc radio signāliem prasa lielu uzmanību, koncentrēšanos un aprēķinu veikšanu. Tāpēc lidmašīnās paredz stūrmaņa darba vietu, kas vairs neatbilst komersantu interesēm un prasa uzlabot navigācijas tehnoloģijas un uzsāka izmantot inerciālās navigācijas sistēmas.

• 
  Militāristu pirmais radio raidītājs 1926. gadā
• 
  Vācu radionavigācijas sistēma "Bernhart" Mont Les Justices Vandē (II pasaules karš)
• 
  SCR-277 pārvietojamais radio raidītājs
• 
  Radio raidītājs Gdaņskas lidostā

Inerciālā navigācijas sistēma

Inerciālā navigācijas sistēma (no angļu: Flight Management System; FMS) pieņem informāciju par gaisa kuģa stāvokli gaisa telpā no dažādiem informācijas avotiem, salīdzina tos vienu ar otru un pēc loģikas nosaka gaisa kuģa koordinātas. Tas ir aeronavigācijas gaisa kuģa kodols, kas turklāt uz speciāla displeja rāda: gaisa kuģa lidojuma ceļus; ceļu lūzuma punktus; ierobežojumus uz punktiem; aprēķina laiku starp punktiem; radaru datus; reljefu; u.c. Tehnoloģija rietumos sāka attīstīties pagājušā gadsimta 80. gados. Parādoties mikroprocesoriem progress vairs nebija apturams. Radās iespēja visu maršrutu ievadīt borta datora atmiņā. Stūrmaņa profesija uz borta, kā atsevišķa vienība, vairs nebija nepieciešama.

Nedaudz vēlāk tika izveidoti rajona aeronavigācijas noteikumi (no angļu: Area navigation; RNAV), kas avio dispečeriem ļāva sūtīt gaisa kuģus pa jebkurām — pilnīgi taisnām trajektorijām nevis tikai pa speciāli paredzētām lidošanai lauztām trasēm, kas ievērojami ļāva palielināt gaisa telpas izmantošanas intensitāti un efektivitāti. Līdz ar to gaisa ceļu skaits, neskaitot to savstarpējos krustošanās punktus un ierobežojumus aizliegtajās zonās, bija aptuveni līdzvērtīgs lidlauku skaita kāpinājumam kvadrātā, par cik jebkuram lidlaukam tagad bija tiešs savienojums ar jebkuru citu lidlauku apskatāmajā teritorijā.

Kaut arī ieviešot rajona aeronavigāciju, ceļa kontroli ar radionavigācijas līdzekļiem speciāli neatcēla un atļāva tai darboties paralēli, tomēr līdz ar to, šo raidītāju skaits pasaulē sāka ievērojami samazināties praktisku apsvērumu pēc.

Pavadoņu navigācija

Garmin G1000 integrētā lidojuma instrumentu sistēma

Zemes mākslīgo navigācijas pavadoņu (tālāk tekstā vienkārši — pavadoņi) tehnoloģiju izmantošana gaisa kuģos sākās jau iepriekšējā gadsimta 90-tajos gados. Samērā plaši sāka pielietot vienkāršas ražotāja "Garmin" ierīces gan kā papildu, gan kā pamata navigācijas līdzekli. Ērtības noteica visu. Bija arī kļūmes nepietiekošā satelītu skaita dēļ blakus dotajam gaisa kuģim, kura pilots reizēm pārlieku paļāvās tik uz šo navigāciju. Tad signāli pienāca ar pārtraukumiem (ar raustīšanos) no pavadoņa uz pavadoni. Bija gadījumi, kad gaisa kuģus pēc šīm ierīcēm vadīja pat nosēšanās posmā un ne vienmēr tas beidzās bez satiksmes negadījumiem.

Mūsdienās pavadoņu izmantošana aeronavigācijā ir ļoti precīza. Tomēr arī tai mēdz gadīties tehniskas kļūmes. Tāpēc aeronavigācijā nesteidzās noliegt citus — jau zināmos koordinātu ieguves veidus. Turklāt, gaisa kuģos turpina darboties arī zināmā Inerciālā aeronavigācijas sistēma FMS, kura tagad ir "iemācīta" saņemt signālus arī no pavadoņiem. Dators aizvien pēc viltīgas loģikas nosaka gaisa kuģa koordinātas saņemot, apstrādājot un analizējot visus zināmos datus.

Kas notiks, ja ļaundaris salauzīs GPS?

Mūsdienu gaisa kuģos, piemēram, Boeing 737..., ja pēc datora algoritma saņemtie pavadoņu signāli ir nekorekti, tos automātiski nobloķē, bet pilotu par to informē ar speciāliem paziņojumiem uz displeja, piemēram: "GPS-L Invalid" vai "GPS-R Invalid", kā tas ir pilotiem, kuri nesankcionēti lido pa slēgto Ukrainas gaisa telpu virs Krievijas anektētās Krimas pussalas.

Nosēšanās

Nosēšanās sekmīgu pabeigšanu pa glisādi nodrošina aparatūras precīza darbība.

Globālā nosēšanās sistēma

Izplatību plaši iegūst Globālās nosēšanās sistēma (no angļu: Global landing system; GLS), kuras darbības pamatā ir Globālā navigācijas satelītu sistēma (no angļu: Global Navigation Satellite System; GNSS) un zemes koriģējošā stacija attiecībā pret gaisa kuģi, kurai, kā tiek uzskatīts, pieder nākotne. Tik ar vienu zemes staciju ir pietiekami, lai apkalpotu vairākas lidostas. Sistēmai nav dārga uzturēšana un tai nav ILS raksturīgo tehnisko traucējumu. Lai izmantotu globālo nosēšanās sistēmu, gaisa kuģim nepieciešama speciāla aparatūra.

Instrumentālā nosēšanās sistēma

• 
  ILS planes coloured.svg ILS shēma
• 
  ILS localizer illustration.svg ILS shēma
• 
  ILS diagramsimplified.png ILS shēma
• 
  ILS diagram.png ILS shēma detalizēta

Arī šajā gadsimtā ne katrs lidlauks ir aprīkots ar Instrumentālo nosēšanās sistēmu (no angļu: Instrument landing system; ILS). ILS izmanto divus raidītājus, kuri formē īpašas formas starus. Viens nomērķēts precīzi pa skrejceļa garenasi, otrs — zem noteikta leņķa piezemēšanās zonā, parasti 3°. Gaisa kuģa aparatūra pieņem šos signālus, nosaka tā koordinātas attiecībā pret tiem un dod informāciju pilotam. Ideālā gadījumā gaisa kuģis automātiski lido stingri pa šo trajektoriju — t.i. pa šiem stariem. Gadījumā ja, sasniedzot lēmuma pieņemšanas augstumu (minimums), pilots neierauga nepieciešamos zemes orientierus, viņam jāpārtrauc nosēšanās un gaisa kuģi jāvada uz otru apli (no angļu: Go-around). Lēmuma pieņemšanas augstums ir atkarīgs no dažādiem faktoriem, tādiem kā: lidostas aprīkojums; gaisa kuģa aprīkojums; ekipāžas pielaide. Teorētiski lēmuma pieņemšanas augstums (minimums) var būt 0 m. Tomēr tas nav visiem skrejceļiem un ir atkarīgs no iekārtām, kuras prasa pienācīgu apkopi un kontroli.

Inerciālā navigācijas sistēma

Mūsdienu gaisa kuģiem nosēšanos ir spējīga izpildīt gudra Inerciālā navigācijas sistēma (no angļu: Flight Management System; FMS), bet piloti nosēšanos veic bultiņu rādītāju virzienā. Šādu nosēšanos līdz zināmam augstumam var veikt autopilota režīmā. Bet kad skrejceļš redzams, atslēdz autopilotu un veic patstāvīgu nosēšanos. Tomēr lēmuma pieņemšanas augstums (minimums) tik un tā būs augsts, neatkarīgi no tā, cik precīzi gaisa kuģis spēj izpildīt doto nosēšanos.

Nesen sāka izpildīt nosēšanos pat pēc rajona navigācijas metodes (angļu valodā: Area navigation; RNAV). Lai veiktu šādu nosēšanos, nav nepieciešams nekāds zemes aprīkojums, bet gaisa kuģim jābūt precīzām navigācijas sistēmām.

Radiosignāla bultiņas

Bez ILS ir arī citas sekmīgas nosēšanās metodes, kuras nevada gaisa kuģi pa glisādi automātiski, kā tas ir ILS gadījumā, taču pilots var lidot patstāvīgi (bez autopilota) radio bultiņu orientieru virzienā. Šādai nosēšanai ir krietni augstāks lēmuma pieņemšanas augstums (minimums), nekā izmantojot ILS, t.i., laika apstākļiem — redzamībai ir jābūt pietiekami labai, lai pilotam būtu tiesības pieņemt lēmumu pabeigt nosēšanos.

Ātrumi aeronavigācijā

Patiesais ātrums

Patiesais ātrums (angļu: True airspeed) ir arī patiesais gaisa ātrums — gaisa kuģa ātrums attiecībā pret gaisa masu, kurā tas lido. Arī gaisa masas nestāv uz vietas, tās pastāvīgi migrē (vējš). Gaisa kuģim atrodoties gaisa masās jāstāv pretī šim gaisa masu pārvietojumam (lidojot pret vēju) vai arī tas palīdz nokļūt galamērķī agrāk — lidojot pa vējam. Kā vienā tā otrā gadījumā var tikt patērēts vienāds enerģijas daudzums, bet nolidotais ceļš būs atšķirīgs. Tas pats ūdens transportā — kuģojot pa straumi vai pret straumi.

Ceļa ātrums

Ceļa ātrums ir gaisa kuģa pārvietošanās ātrums attiecībā pret zemes virsmu, kas ir plaši pazīstams arī sauszemes transporta veidos. Pēc ceļa ātruma atrod laiku, ko gaisa kuģis pavadīs ceļā.

$v={s \over t}$, kur s — ceļš, t — laiks.

Bezvēja apstākļos ceļa ātrums ir vienāds ar patieso ātrumu. Bet, piemēram, ja ceļavējš ir 100 km/h un gaisa kuģa patiesais ātrums ir 600 km/h, ceļa ātrums sastādīs 700 km/h.

Mēraparātu ātrums

Mēraparātu ātrums (angļu: Indicated airspeed) ir gaisa spiediena iedarbība uz gaisa kuģi lidojumā, ko mēra ar pilnā spiediena devējiem (PPD) pie gaisa kuģa korpusa caur speciālām apsildāmām caurulēm. Pilno spiedienu veido ātruma spiediena (PPD) un statiskā spiediena (barometriskais spiediens) starpība.

Mēraparātu ātrums = Pilnais spiediens — Barometriskais spiediens

Statiskā spiediena iespaids sāk samazināties, palielinot pārvietošanās ātrumu (Bernulli likums). Ja kāds no mēraparātiem strādā nekorekti, mēraparātu ātrums būs arī nepareizs. Ja aizsalst PPD caurule, tad mēraparātu ātrumu iegūst tik pēc barometra principa — palielinot augstumu, mēraparātu ātrums kāps, nolaižoties — samazināsies. Bet ja nedarbosies barometrs, mēraparāts rādīs atkal nepareizi — nolaižoties mēraparātu ātrums — paaugstināsies, paceļoties — samazināsies. Katras modifikācijas gaisa kuģim atteiču gadījumā var būt specifiskas reakcijas nianses.