Základy letecké dopravy: Poznámky

Základní pojmy

• Autonomní letadlo: Bezpilotní letadlo, které neumožňuje zásah pilota do řízení letu.
• Bezpilotní letadlo (UA, UAV): Letadlo určené k provozu bez pilota na palubě.
• Bezpilotní systém (UAS): Systém skládající se z bezpilotního letadla, řídicí stanice a jakéhokoliv dalšího prvku nezbytného k umožnění letu.
• Model letadla: Letadlo, které není schopné nést člověka na palubě, používané pro soutěžní, sportovní nebo rekreační účely a není vybaveno zařízením umožňujícím automatický let.

BVLOS, VLOS, EVLOS

• Visual Line Of Sight (VLOS):
  • Provoz, při kterém dálkově řídící pilot udržuje přímý vizuální dohled na letadlo.
• Extended Visual Line Of Sight (EVLOS):
  • Provoz, při kterém pozorovatel zapojený do provozu dálkově řízeného letadla udržuje přímý vizuální dohled na letadlo a informuje dálkově řídícího pilota o situaci v okolí letadla.
• Beyond Visual Line Of Sight (BVLOS):
  • Provoz, při kterém dálkově řídící pilot nebo pozorovatel neudržuje přímý vizuální dohled na letadlo.

UAS

• Skládá se z:
  • Lidského elementu
  • Nákladu
  • Komunikačního rozhraní
  • Spouštění a napájení
  • Bezpilotního letadla (UAV)

Historie

• Technologický vývoj se odvíjí od armádních aplikací.
• 1849: Vojenské horkovzdušné balóny bez pilota (shazování bomb).
• 1898: Nikola Tesla patentoval teleautomatizaci (loď na dálkové ovládání).
• 40. léta: Německé V1 a V2 rakety.
• 1994: MQ-1 Predator (USA).
• 1999: Sojka III (Vojenský technický ústav) – již vyřazeno.
• 2003: RQ-11 Raven (vybavení AČR).
• 2006: Založena firma DJI – modelové řady Phantom.
• 2022: Volocopter (UAM).

Konstrukce bezpilotních letadel

• Koptéra
• Vrtulník
• Letoun
• Kluzák
• Samokřídlo
• Balón
• Vzducholoď
• Konvertoplán

Počet vrtulí a konfigurace:

• 4: Kvadrokoptéra
• 6: Hexakoptéra (6 rotorů klasicky nebo koaxiálně X6)
• 8: Oktokoptéra (8 rotorů klasicky nebo koaxiálně X8)
• 12: Dodekakoptéra (12 rotorů v konfiguraci Y12)
• 16: Hexadekakoptéra (16 rotorů koaxiálně).

Legislativa

• Mezinárodní úmluvy a zákony
  • Celosvětová regulace:
    • Chicagská úmluva
    • ICAO oběžník 328
  • Harmonizovaná EU regulace:
    • Nařízení (EU) 2018/1139
    • Nařízení (EU) 2019/945
    • Nařízení (EU) 2019/947
    • Nařízení U-space
• Tuzemské předpisy
  • Zákon 49/1997 Sb., o civilním letectví
  • Doplněk X – předpis L2 – platný do roku 2020 (aktuálně pouze pro modeláře)
  • OOP – LKR10 – UAS
• Nařízení (EU) 2019/945 a 2019/947
  • Platné od 31.12.2020
  • Dělení provozu dle míry provozního rizika
  • Tři nové kategorie provozu:
    • OPEN (otevřená)
    • SPECIFIC (specifická)
    • CERTIFIED (certifikovaná)

Kategorie OPEN

• Nejmenší provozní riziko
• Nejmírnější požadavky na provozovatele a piloty
• Povinnost registrace – mimo hračky a vlastní výrobu do 250 g!
• Absolvování online testu, minimální věk 16 let
• Označení dronu registračním číslem provozovatele
• Provoz se dále dělí do podkategorií:
  • A1
  • A2
  • A3
• Maximální výška letu 120 m AGL
• Let pouze na dohled pilota – VLOS
• MTOM / MTOW – maximální vzletová hmotnost dronu - 25 kg
• Drony se štítky:
  • C0
  • C1 – DJI Mavic 3 Classic (první dron na světě)
  • C2
  • C3
  • C4

Podkategorie kategorie OPEN

A1

• Pro drony se štítky:
  • C0 – do 250 g
  • C1 – do 900 g
• Nesmí přelétávat nad shromážděními osob a zásahy IZS
• Pilot musí důvodně předpokládat, že nepřeletí nad žádnou nezapojenou osobou (nebo musí získat souhlas osob)

A2

• Pro drony se štítky:
  • C2 – do 4 kg
• Let nad shromážděním osob a zásahy IZS je zakázán
• Let nad nezapojenými osobami je zakázán
• Udržení bezpečné vodorovné vzdálenosti 30 m od nezapojených osob
• Pravidlo 1:1
  • Pokud je dron v horizontální vzdálenosti od osob 50 m, nesmí překročit výšku letu nad zemí 50 m

A3

• Pro drony se štítky:
  • C2
  • C3
  • C4
• Let nad shromážděním osob a zásahy IZS je zakázán
• Let nad nezapojenými osobami je zakázán
• MTOM do 25 kg
• Udržení horizontální vzdálenosti alespoň 150 m od obytných, obchodních, průmyslových nebo rekreačních oblastí

Kategorie SPECIFIC

• Pro provoz, který překročí definované limity v kategorii OPEN a zároveň nenaplní definované limity pro kategorii CERTIFIED
• Vše závisí na druhu zamýšleného provozu
• Je třeba vypracovat bezpečnostní metodiku SORA (Specific Operations Risk Assessment)
• Provoz umožněn na základě Oprávnění k provozu (OkP)
  • Žádost o vydání Oprávnění k provozu
  • Přílohy žádosti
    • Deklarace provozovatele o ochraně osobních údajů
    • Dokument ConOps (zamýšlený provoz z pohledu provozovatele)
    • Provozní příručka (pouze v některých případech)
    • Směrnice SORA

Kategorie CERTIFIED

• Nejrizikovější provoz → maximální možná bezpečnost
• Zahrnuje provoz, který:
  • Je nad shromážděním lidí s bezpilotním letadlem o rozměrech ≥ 3 m
  • Zahrnuje přepravu osob
  • Zahrnuje přepravu nebezpečného zboží
• Proces certifikace srovnatelný s certifikací dnešních letadel s posádkou
  • Certifikace bezpilotního letadla
  • Certifikace provozovatele
  • Certifikace pilota bezpilotního letadla

Plánování letu

• Každý let s UAS je vhodné, a v jistých podmínkách nutné, plánovat!
• Před letem sleduji:
  • Trasu letu + rizika s pozemní a vzdušnou infrastrukturou
  • Dostatek prostoru pro vzlet i přistání, povrch
  • Aktuální stav i předpověď počasí
  • Skladování stroje (možnost např. rušení kompasu - VVN, kovy)
  • Vrtule, trup i další části letadla
  • Stav baterií v letadle i ovladači
• LetéjteZodpovědně.cz
  • Chytrý garantovaný rádce z oblasti legislativy vztahující se k provozování určitého bezpilotního letadla
• Aplikace Dronald
  • Dokáže odpovědět na dotazy:
    • Kde mohu se svým dronem létat?
    • Potřebuji pro létání zvláštní povolení?
    • Musím svůj dron označit registrační značkou?
    • Jak získat povolení k letu mimo vizuální dosah?

UTM (UAS Traffic Management)

• Systém řízení bezpilotního provozu ve společném vzdušném prostoru
• Zahrnuje spolupráci všech zainteresovaných subjektů
• Umožňuje integraci a koexistenci bezpilotního a pilotovaného letectví (UTM x ATM)
• Globálním konceptem je tedy integrace, nikoliv segregace
• Nezbytný prvek pro umožnění např. BVLOS letů či UAM (Urban Air Mobility)
• Evropské UTM řešení = U-space

U-space

• U1: Základní služby U-space
  • E-registrace, e-identifikace, geo-fencing zóny (virtuální zóny, sledování pomocí GNSS)
• U2: Počáteční služby U-space
  • Plánování letů a jejich sledování
  • Dynamické informace o vzdušném prostoru
  • Nastavení rozhraní s řízením letového provozu
• U3: Pokročilé služby U-space
  • Složitější operace v oblastech s hustým provozem
  • Řízení kapacity a služby detekce konfliktního provozu
• U4: Kompletní služby U-space
  • Integrované rozhraní s pilotovaným provozem
  • Plná kapacita U-Space služeb
  • Automatizace, konektivita a digitalizace

Služby U-space

• POVINNÉ
  • Síťová identifikační služba
  • Geo-awareness
  • Služba oprávnění k letu bezpilotního systému
  • Služba informací o provozu
• DOPLŇKOVÉ
  • Služba informací o počasí
  • Služba monitorování souladu

UAM (Urban Air Mobility)

• “Městská letecká doprava”
• Bezpečný a efektivní systém letecké dopravy
• Využití vysoce automatizovaných letadel
• Přeprava cestujících nebo nákladu
• Bude tvořit systém zohledňující:
  • Vývoj a bezpečnost letadel
  • Provoz
  • Přístup do vzdušného prostoru
  • Rozvoj infrastruktury
  • Zapojení komunity
• Uvedení městské přepravy do třetí dimenze
• Cílí na velká města
• Změna územního plánu
• Smart cities

Proč je UAM potřeba?

• Snížení celkového provozu ve městech
• Snížení času přepravy
• Zlepšení mobility
• Snížení míry rizika vzniku dopravních nehod
• Snížení emisí
• Vysoká urbanizace do roku 2050
• Složitost současné dopravy

Jaké překážky UAM čekají?

• Certifikace
  • Certifikovaná kategorie provozu
  • Letadlo
  • Pilot
  • Provozovatel
• Legislativa
• Sociální přijatelnost
• Infrastruktura
• Meteorologické podmínky
• Technologie
• Bezpečnost

UAM budoucí scénáře

POMOC PŘI MIMOŘÁDNÝCH UDÁLOSTECH

• Vysoká manévrovací schopnost
• Rychlá pohyblivost / obratnost
• Na UAV nemá vliv dopravní zácpa
• Nejsou riskantní jako např. využití vrtulníků

LOGISTIKA A DISTRIBUCE

• Rychlejší doručení
• Stabilní přeprava
  • Bez zpoždění
  • Bez narušení
• Nižší reklamace či vrácení zboží spotřebitelům

CESTOVNÍ RUCH

• Efektivnější cestování z bodu A do bodu B
• Možnost odletu dle zákazníka
• Snížení časové náročnosti
• Objevování nových míst

CNS systémy

COMMUNICATION (komunikace)

Využití komunikace

• G-G (Ground-Ground), Země-Země (pozemní středisko ŘLP-pozemní středisko ŘLP)
• G-A (Ground-Air), Země-Letadlo (pozemní středisko ŘLP -letadlo)
• A-A (Air-Air), Letadlo- Letadlo

Přenosové cesty

• VHF (velmi krátké vlny)
• HF (krátké vlny)
• Satelitní

Šíření elektromagnetických vln

VHF hlasová komunikace

• Hlasová komunikace pomocí rádiového spojení v letecké dopravě používá standardizovanou frazeologii
• Zpravidla se jedná o komunikaci pozemního střediska (letiště, oblastního střediska řízení letového provozu) s posádkou letadla
• Přenos slyší všechny posádky, které jsou naladěné na stejné frekvenci
• V jeden okamžik na daném kmitočtu a v daném prostoru může vysílat pouze jedna rádiová stanice, jinak dojde ke vzájemné interferenci a ztrátě informace.
• Fonetická abeceda dle ICAO

Výhody

• Komunikaci slyší všechny posádky letadel na dané frekvenci
• Méně zatěžující v kritických fázích letu
• Cenově dostupná technologie

Nevýhody

• Nutnost zpětného potvrzení/přijetí informace (<- mnoho ruchů, proměnlivá kvalita přenosu hlasu, jazykové bariéry…)
• Pouze jeden na frekvenci může vysílat -> v hustém provozu je toto omezující
• Procedura navíc: hlasový pokyn -> nastavení přístroje

Datová komunikace CPDLC (Controller-Pilot Data Link Communications)

• Princip: Pokyny služby ŘLP (např. změna letové hladiny) jsou posílány posádce pomocí datových zpráv
• Datové zprávy jsou po digitálním spoji přeneseny do letadla, posádce se zobrazí na příslušném přístroji
• Řídící má přehled, zda si posádka zprávu přečetla a potvrdila ji
• Systémy moderních letadel mohou po potvrzení pokynů posádkou předat instrukce řídícího přímo do autopilota

Výhody

• Odstranění nedorozumění při hlasové komunikaci (ruch, přízvuk, výslovnost, …)
• Přímé zadání do FMS (Flight Management System)
• Ukládání historie všech zpráv

Nevýhody

• Pouze pro časově nekritickou komunikaci
• Pomalejší reakce na přijatou informaci
• Nutnost dalšího palubního vybavení

NAVIGATION (navigace)

• Slouží ke stanovení polohy v prostoru a nalezení vhodné trajektorie (trati)

Navigační systémy

• Závislé
  • Ground-based infrastructure
    • NDB
    • VOR
    • DME
    • ILS
    • MLS
  • Space-based infrastructure
    • GNSS
• Nezávislé
  * INS/IRS

Nesměrový radiomaják NDB – Non-Directional Beacon

• Radiomaják vysílá všesměrově signál
• Automatický radiokompas (ADF – Automatic Direction Finder) v letadle pak ukazuje směr k radiomajáku
• Analogie s magnetickým kompasem, který ukazuje k Severnímu pólu

Vliv větru na navigaci pomocí NDB

Všesměrový radiomaják VOR – VHF Omnidirectional Range

• Vysílá směrově proměnlivý signál, který umožňuje posádce určit tzv. radiál -> magnetický směrník k/od VOR
• Princip letu pomocí VOR navigace: *Zvolený radiál leží vpravo od letadla
  • Let po zvoleném radiálu
  • Volba radiálu na otočné stupnici (350°)
  • Identifikace a frekvence vybraného VORu

DME – Distance Measuring Equipment

*Používá se pro určení šikmé vzdálenosti mezi letadlem a pozemním zařízením
1. Palubní zařízení vyšle dotaz pozemní stanici
2. Pozemní stanice DME po pevně stanoveném zpoždění odpoví letadlu
3. Letadlo měří čas mezi vysláním dotazu a příjmem odpovědi od DME stanice -> ze znalosti rychlosti šíření elektromagnetických vln a definovaného zpoždění dopočítá šikmou vzdálenost
4. Z informace o výšce letadla nad zemským povrchem je dále ze šikmé vzdálenosti vypočtena přímá vzdálenost od DME stanice

Výpočet šikmé vzdálenosti letadla od zařízení:

$R = \frac{\tau - d}{2} \cdot c$

• $\tau$ … změřený časový interval od vyslání dotazu do příjmu odpovědi
• 𝑑 … definované zpoždění uvnitř pozemního majáku $d = 50 \mu s$ (pro kanál X)
• c … rychlost šíření elektromagnetické vlny $c = 3 \cdot 10^8 m/s = 162 000 NM/s$

Příklad 1

• V letadle byla naměřena doba od vyslání do přijetí signálu DME 1,62 milisekund, doba zpracování signálu je 50 mikrosekund, vypočítejte šikmou vzdálenost letadla od DME zařízení.

Elektronický přístrojový přistávací systém ILS – Instrument Landing System

• ILS je pozemní anténní soustava pro konkrétní RWY
• Signál ILS umožnuje přístrojové vedení posádky letadla ve fázi konečného přiblížení („sestup na RWY“)
• Vedení je:
  • Horizontální (Localizer)
  • Vertikální (Glide Path)
• Určení vzdálenosti pomocí tzv. markerů nebo systému DME
• Nepostradatelný při přistání za zhoršené dohlednosti

Přístroj pilotovi signalizuje polohu vůči ose RWY a sestupové rovině

• Antény Glide Path
• Antény Localizeru
• Přístroj v letadle porovnává intenzity referenčních signálů 90 Hz a 150 Hz

Kategorie přesných přiblížení a přistání

• DH … výška rozhodnutí
• RVR … dráhová dohlednost
  • Platí pro: ILS, MLS, GBAS

Mikrovlnný přistávací systém MLS – Microwave Landing System

• Založený na principu skenu mikrovlnným paprskem (5031,0–5090,7 MHz)
• Použití: např. letiště London–Heathrow

Výhody

• Větší pokrytí
• Volitelná trajektorie kurzové a sestupové roviny
• Větší přesnost (než ILS)
• Antény nemusí být na přesném místě vůči dráze

Nevýhody

• Cena
• Nové palubní vybavení letadel

Globální navigační satelitní systém GNSS – Global Navigation Satellite System

GNSS BeiDou IRNSS Glonass GPS Galileo QZSS
GBAS SBAS (EGNOS, WAAS,…) ABAS

. Segmenty satelitních navigačních systémů

*Kosmický segment
*Řídící segment
*Uživatelský segment
*Pro určení polohy přijímače je nutný signál minimálně ze 4 satelitů
*3 souřadnice
*čas
###Určení polohy dle GPS

• Určení polohy na základě dálkoměrné metody 𝑃𝑆𝑅 = ∆𝑡𝑚ě𝑟𝑒𝑛é ∙ 𝑐
  *Měření tzv. pseudovzdálenosti = vzdálenost s chybou způsobenou chybou hodin přijímače
  $PSR = R + c \cdot t<em>0$$∆𝑡𝑚ě𝑟𝑒𝑛é ∙ 𝑐 = R + c ∙ 𝑡</em>0$
  ∆𝑡𝑚ě𝑟𝑒𝑛é…doba zpoždění signálu od družice měřená vzhledem k nule časové základny přijímače 𝑡0…odchylka hodin v přijímači vůči času hodin na satelitu

Vlastnosti navigačního systému

*Přesnost (Accuracy) – udává stupeň shody mezi předpokládanou, měřenou nebo požadovanou polohou v určitém čase a skutečnou polohou za bezchybných podmínek
*Integrita (Integrity) – vyjadřuje schopnost včasného varování, pokud dojde k závadě v systému a použití chybné složky by mohlo vést k nebezpečným zavádějícím informacím
*Spojitost (Continuity) – je schopnost celého systému provádět svou funkci bez neplánovaných přerušení během zamýšleného provozu
*Dostupnost (Availability) – je definována jako časový úsek, během kterého bude systém použit k navigaci a během něhož budou prezentovány spolehlivé navigační informace, (to znamená čas, kdy systém vyhovuje zároveň požadavkům na přesnost a integritu)

Augmentační systémy

 *Aircraft ABAS Satellite SBAS Ground GBAS

ABAS – Aircraft-Based Augmentation System

*Zvyšuje integritu systému
*Autonomní monitorování integrity přijímače RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring)

• Technika založená na GNSS bez podpory dalších systémů na palubě (využití více satelitů)
  *Autonomní monitorování integrity letadla AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring)
• Technika využívající dalších senzorů (jiných než GNSS), např. inerční navigace

SBAS – Satellite-Based Augmentation System

*Zvyšuje integritu, přesnost, dostupnost a spojitost GNSS
*Použití pro traťový let a 3D přiblížení (do kategorie CAT I)

GBAS – Ground-Based Augmentation System

*GLS – GBAS Landing System
*Použití pro 3D přesné přístrojové přiblížení až do kategorie CAT III
Navigace založená na výkonnosti
*PBN – Performace Based Navigation
Určuje požadavky na výkonnost systému (navigační specifikace, požadavky na vybavení letounu, infrastrukturu…), která se vyjadřuje jako celková chyba systému
*RNAV (Prostorová navigace, Area Navigation)
definují podle směrové navigační přesnosti v NM, jejíž dosažení je očekáváno v minimálně 95 % doby letu
*RNP (Požadovaná navigační výkonnost, Required Navigation Performance)
oproti RNAV jsou kladeny požadavky na palubní monitorování navigační výkonnosti a výstražný systém

Conventional Routes

Ground-based navaids
Limited Flexibility
RNAV Routes
Waypoints
paths
Increased Efficiency
Highly Optimized
Curved

RNP Routes

Inerční navigace

INS – Inertial Navigation System
IRS – Inertial Reference System
Výpočet změny polohy letadla na základě změny úhlových rychlostí a zrychlení v jednotlivých osách

3 akcelerometry – měří zrychlení
3 gyroskopy – měří změnu úhlové rychlosti
Nutnost znalosti počáteční polohy
Model gravitačního pole Země
Sledování
(

SURVEILLANCE

(přehledovost - sledování, přehledové systémy)
Včasné detekování cílů a určování jejich polohy (včetně získávání doplňkových informací vztahujících se k cílům)
Zobrazení přehledové situace slouží především pro řízení letového provozu

Přehledové radary

*Primární přehledový radar Rychlost Poloha Kurz (RAdio Detection And Ranging Založeno na odrazu elektromagnetické vlny od cíle
Primární přehledový radar
Možnosti tzv. falešných cílů – odraz od objektů, které nejsou letadly (např. vyvinutá bouřková oblaka)

Sekundární přehledový radar princip detekce založen na dotazování a příjmu odpovědí od cíle

*Sekundární přehledový radar SSR – Secondary Surveillance Radar
SSR dotazuje tzv. sekundární palubní odpovídač
Odpovídač na palubě letadla vyšle odpověď na dotaz (identifikace letadla, let, výška, rychlost, kurz, a další)
Výhoda: možnost získat podrobnější přehledovou informaci
Nevýhoda: letadlo bez odpovídače nelze detekovat sekundárním radarem – je neviditelné
Zařízení na palubě letadla, které „odpovídá“ na dotazy
Dotazy mohou přicházet od sekundárních radarů, ale i okolních letadel v rámci protisrážkového systému ACAS
Současné odpovídače jsou napojeny na ostatní systémy v letadla a dokáží v odpovědi odeslat velké množství letových parametrů -> není potřeba tyto parametry předávat pomocí pouze hlasové komunikace

ADS-B – Automatic Dependent Surveillance–Broadcast
Systém, který v pravidelných intervalech automaticky vysílá letové parametry, aniž by byl dotázán
Zprávy obsahují zeměpisnou polohu z GNSS (Global Navigation Satellite System, např. GPS nebo GLONASS) + výšku, kurz, budoucí záměry
Ostatní letadla a pozemní přijímače v blízkosti mohou s těmito údaji pracovat dál (zprávy formátu DF17)