opis możliwości i funkcji urządzenia

POLITECHNIKA RZESZOWSKA
im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Awioniki i Sterowania
OPIS MOŻLIWOŚCI I FUNKCJI URZĄDZENIA NAWIGACYJNEGO
GARMIN GNS 430 WYKORZYSTUJĄCEGO TECHNIKĘ GPS
Przemysław SZYDŁOWSKI
Seminarium Dyplomowe 2001/2002
LOTNICTWO - PILOTAŻ
Streszczenie
Urządzenie do prowadzenia nawigacji wykorzystujące satelitarny system nawigacji GPS firmy GARMIN
o nazwie GNS 430 wyposażone jest w bogate oprogramowanie oferujące użytkownikowi dużą ilość funkcji
podających informacje dotyczące pozycji statku, przebiegu lotu itd. Aby w pełni docenić bogactwo oferowanych
przez opisywane urządzenie funkcji należy je dokładnie poznać i przetestować, niniejszy referat zawiera ogólny
opis możliwości urządzenia w odniesieniu do zastosowania w lotnictwie typu GENERAL AVIATION, pozwoli na
zapoznanie się z podstawami obsługi oraz formą przekazywania informacji przez urządzenie.
1. Wstęp
GPS - Global Positioning System w ostatnich latach był i jest dziedziną rozwijającą się bardzo
dynamicznie i w miarę tego rozwoju znajdującą coraz to nowe zastosowania. Odbiorniki lokalizacji satelitarnej
GPS wykorzystuje się już w tak codziennych dziedzinach jak nawigacja w samochodach osobowych, systemy
śledzenia i nadzoru naziemnych środków transportu czy spacerowanie po lesie z koszykiem w jednej ręce i z
kieszonkowym odbiornikiem GPS w drugiej. Sam system ma dość prostą idee, dzięki sieci satelit orbitujących
nad naszym globem i wysyłających odpowiednie sygnały zgrane w czasie odbiornik GPS jest w stanie,
posiadając w swojej bazie danych informacje o orbitach tych satelit i ich dokładnym położeniu w czasie i
przestrzeni, namierzyć własną pozycję i to z dość pokaźną dokładnością, od kilku metrów w jednostkach mało
profesjonalnych do nawet pojedynczych milimetrów w specjalistycznych systemach GPS używanych w
geodezji. Wokół tej dość prostej idei inżynierowie zbudowali skomplikowane urządzenia posiadające
różnorodne funkcje, wyliczające prędkość, wysokość, posiadające bazy danych bogato wyposażone w dokładne
mapy, a wszystko to zamknięte może być w obudowie niewiele większej od telefonu komórkowego, która z
powodzeniem mieści się w jednej kieszeni razem z portfelem, posiada oprogramowanie z interfejsem
graficznym, który nie sprawiałby większych problemów w obsłudze uczniowi szkoły podstawowej klas 1-3.
Wśród tej różnorodnej gamy urządzeń GPS posiadających przeróżne zastosowania i związane z tym ich
parametry, w tym referacie skupię się na urządzeniach GPS związanych ściśle z tzw. małym lotnictwem czyli
lotnictwem sportowym i turystycznym, opierając się na urządzeniu firmy GARMIN o nazwie GNS 430. Jest ono
dość zaawansowanym w tej dziedzinie urządzeniem i zawiera w sobie oprócz standardowych funkcji, jakie
posiada prawie każdy odbiornik GPS, kilka funkcji, które dostarczają pilotowi bardzo szczegółowych danych
nawigacyjnych umożliwiając podejście do lądowania przy pomocy GPS wykorzystując posiadane w pamięci
mapy podejść, prowadzić samolot po zadanej ścieżce zniżania lub wznoszenia i tak dalej...(2).
2. Opis panelu sterowania
Panel sterowania wyposażony jest w cztery grupy przycisków i pokręteł zapewniających szybki dostęp
do
P. Szydłowski
SP - 1
najbardziej użytecznych funkcji urządzenia.
Grupa dwóch przycisków i dwóch pokręteł znajdująca się
po lewej górnej stronie urządzenia służy do szybkiego przełączania częstotliwości radiowych COMM i częstotliwości urządzeń
nawigacyjnych NAV w stan aktywny Activ oraz w stan oczekiwania Standby.
Grupa sześciu przycisków zlokalizowana tuż pod wyświetlaczem urządzenia umożliwia szybki dostęp do odpowiednich
ustawień i podstron oprogramowania. Przycisk CDI pozwala na
szybkie przełączenie sposobu nastrajania wskaźnika odchylenia
kursowego CDI. Jeżeli do GNS 430
podłączony jest bezpośrednio zabudowany na samolocie zintegrowany wskaźnik nawigacyjny HSI lub każdy
inny wskaźnik CDI to można nastrajać graficzny wskaźnik CDI na ekranie GNS 430 używając pokrętła we
wskaźniku zewnętrznym, lub używając pokrętła znajdującego się na panelu sterowania urządzenia.
Przycisk OBS służy do wybierania sposobu przełączania zaprogramowanego w planie lotu kolejnego
punktu zwrotnego drogi waypoint po minięciu docelowego punktu zwrotnego. Istnieją dwa sposoby, w pierwszym urządzenie automatycznie ustawia jako punkt odniesienia kolejny waypoint zaprogramowany w planie lotu
po minięciu poprzedniego punktu zwrotnego, w drugim urządzenie zatrzymuje jako punkt odniesienia do wyświetlanych wskazań docelowy punkt zwrotny nawet po jego minięciu. Podczas używania drugiego sposobu
przełączanie punktów docelowych należy realizować manualnie.
MSG Message - Przycisk przeglądania wiadomości systemu, który informuje nas podczas przebiegu lotu
o zbliżających się strefach specjalnych, wysokościach decyzji itd.
FPL Flight Plan - Przycisk dostępu do strony planu lotu, umożliwia szybką modyfikację zaprogramowanego planu lotu w razie zaistniałych zmian w trakcie jego wykonywania.
VNAV Vertical Navigation - Przycisk umożliwia natychmiastowe przejście do podstrony nawigacji pionowej w celu zaprogramowania ścieżki schodzenia lub wznoszenia.
PROC - Ostatni z przycisków tej grupy, za jego pomocą można szybko wybrać lub zmienić wcześniej
zaprogramowaną procedurę podejścia do lądowania dostępną w bazie danych urządzenia. Baza danych umieszczona jest na dwóch kartridżach umiejscowionych jeden obok drugiego w dolnej części urządzenia, są one wymiennymi nośnikami pamięci, producent urządzenia firma GARMIN zapewnia użytkownikom swoich urządzeń
ciągłe uaktualnianie bazy danych i powiadamianie o wprowadzonych zmianach na zasadzie odpłatnej subskrypcji.
Grupa przycisków znajdujących się po prawej stronie urządzenia są to standardowe przyciski jakie można znaleść prawie w każdym lotniczym odbiorniku GPS.
RNG Range - zmienia skale wyświetlanej mapy
D Direct To – można go użyć w każdej fazie lotu, skieruje on nas bezpośrednio z aktualnej pozycji do
punktu jaki zdefiniujemy.
Przyciski CLR Clear oraz ENT Enter służą do edycji i zatwierdzania danych w polach danych.
W obu dolnych rogach urządzenia znajdują się dwa wielofunkcyjne pokrętła, lewe służy do wybierania
częstotliwości radiowych COMM oraz częstotliwości urządzeń nawigacyjnych NAV, prawe służy do poruszania
się po poszczególnych stronach oprogramowania spełniając rolę myszki komputerowej, używanie pokrętła jest
niezwykle proste i umożliwia programowanie urządzenia zarówno przed lotem jak i w czasie lotu. Pokrętło zbudowane jest z dużego i małego pierścienia i dodatkowo wyposażone w przycisk, duży pierścień umożliwia przełączanie poszczególnych stron oprogramowania oraz poruszanie się po polach danych przy uaktywnionym kursorze, mały pierścień przełącza podstrony danej strony, przycisk uaktywnia kursor, pokrętło tego typu jest bardzo łatwe w obsłudze a intuicyjnie dopasowane oprogramowanie umożliwia szybkie programowanie urządzenia
zarówno przed jak i w czasie lotu.
3. Baza danych
GNS 430 posiada szeroko rozbudowaną bazę danych, która praktycznie umożliwia przygotowanie i przeprowadzenie lotu bez żadnych dodatkowych materiałów, zawiera między innymi informacje na temat lotnisk,
procedur podejścia, częstotliwości i lokalizacji pomocy radionawigacyjnych itd.
3.1 Informacje o lotniskach
Strona informacji o lotniskach zawiera kilka podstron, pierwsza Airport information page podaje ogólne
informacje: kod ICAO lotniska, współrzędne geograficzne, elewację lotniska, dostępne rodzajwe paliw, rodzaje
podejść, czy na lotnisku pracuje służba radarowa oraz informacja o klasie przestrzeni powietrznej.
P. Szydłowski
SP - 2
Runway information page zawiera informacje o wszystkich dostępnych pasach
startowych na danym lotnisku, wybierając dany pas startowy przy pomocy
rozwijanego menu możemy się dowiedzieć jaką ma długość i szerokość, jaki
rodzaj nawierzchni i czy jest dostępny cały czas czy tylko w określonych porach, poglądowa mapka daje obraz usytuowania pasów startowych na lotnisku.
Rys. 1 Informacja o lotniskach
Airport information page
Frequency information page - podstrona ta posiada informacja na temat wszystkich częstotliwości radiowych COMM używanych
na danym lotnisku, wraz z automatycznym serwisem pogodowym ATIS
oznaczonym indeksem TX - tylko do odbioru, częstotliwości ILS dla poszczególnych pasów lądowania przy podejściach precyzyjnych.
3.2 Informacje o pomocach radionawigacyjnych
Baza danych na stronie Navaid Information Page zawiera wszystkie dostępne pomoce radionawigacyjne trasowe oraz lotniskowe,
radiolatarnie VOR, NDB urządzenia pomiaru odległości DME oraz systemy podejść precyzyjnych ILS, oprócz tego zawiera informacje o
skrzyżowaniach dróg lotniczych INTERSECTIONS.
Rys.2 Informacja o częstotliwościach
Frequency information page
Zakodowane są one pod oryginalnie przypisanymi im kodami identyfikującymi ICAO i zawierają kolejne informacje: nazwia danej pomocy, opis geograficznego umiejscowienia np.: WARSAW POLAND, współrzędne
geograficzne, częstotliwość oraz dodatkowa informacja o tym czy dana pomoc prowadzi nadawanie jakiś dodatkowych informacji w trybie odsłuchu identyfikującego, np.: informacji pogodowych.
3.3 Arrival, Approach, Departure, Transition.
Baza danych posiada szczegółowe informacje dotyczące procedur
prylotowych STAR jak i odlotowych SID opublikowanych dla danego
lotniska, każda z procedur zbudowana jest z odcinków połączonych punktami opublikowanymi oficjalnie, jeżeli występuje jakiś standardowy element procedury typu: procedura oczekiwania holding, racetrack lub zekręty proceduralne procedure turn są one zaznaczone na mapie procedury.
Wprowadzanie do standardowych elementów tego typu odbywa się za
pomocą serii komunikatów dla pilota o kolejnych zmianach kursu samolotu, odległości do rozpoczęcia zakrętu wprowadzającego do danej procedury lub do przechwycenia pośredniego radionamiaru lub kursu prowadzącego do wejścia w element procedury. Ponadto cały graficzny obraz
danej procedury dołączany jest do całej
Rys.3 Procedury podejścia
Approach information page
trasy w momencie jej aktywowania, także wszystkie punkty procedur dolotowych i odlotowych dodawane są
automatycznie do aktualnego planu lotu. Każdą procedurę można zamienić na inną dostępną w bazie danych w
każdym momencie lotu, w przypadku takiej zmiany urządzenie automatycznie przeprogramuje plan lotu tak aby
uwzględnić wybraną przez nas procedurę. W przypadku gdy dana karta podejścia lub procedura dolotowa posiada kilka punktów początkowych należy zdefiniować punkt w którym zamierzamy rozpocząć daną procedurę,
jeżeli natomiast nie jesteśmy pewni jakiej procedury będziemy używać i nie chcemy aby wybrana przez nas procedura stała się od razu częścią aktywnego planu lotu możemy zastosować funkcję VECTOR. Funkcja ta zatrzymuje wybraną przez nas procedurę w Standby, staje się ona integralną częścią planu lotu dopiero jak ją uaktywnimy, funkcja ta jest o tyle przydatna, że możemy wcześniej przygotować procedurę której się spodziewamy,
ustawić jej parametry. Jeżeli służba radarowa zdecyduje się wektorować nas do podejścia lub zaniechamy wykonania zaplanowanej procedury z jakichkolwiek powodów to dopóki nie aktywujemy wybranej procedury, nie
stanie się ona częścią planu lotu i urządzenie nie będzie informowało nas o błędnym przebiegu lotu, co miałoby
miejsce gdybyśmy prowadzili samolot po innej niż w planie lotu drodze.
3.4 Moving Map.
Podstrona Moving Map przedstawia aktualną pozycje samolotu naniesioną na znajdującą się w bazie
P. Szydłowski
SP - 3
danych mapę świata.
Mapa nie zawiera informacji o topografii terenu, zawiera natomiast wszystkie lotnicze strefy zakazane, niebezpieczne, granice sterf i
rejonów kontrolowanych CTR, TMA. Zbliżanie się do każdej ze stref
sygnalizowane jest pilotowi przez wyświetlanie komunikatów. Mapa
zawiera także miasta i miejscowości z zaznaczonym terenem zabudowanym, główne drogi i linie kolejowe, większe rzeki, granice państw
oraz przeszkody np.: kominy, maszty, z informacją o rodzaju przeszkody i jej wysokości.
Rys.4. Mapa
Moving Map
W celu uniknięcia zmniejszenia czytelności mapy pojawiające się na niej informacje można na różny
sposób filtrować, uzależniając ilość wyświetlanych szczegółów od aktualnego powiększenia, lub wyłączając
warstwy informacyjne. Każda z warstw zawiera informacje danego typu np.: warstwa stref lotniczych, warstwa
miast, warstwa dróg itd... każdą z nich można nanieść na mapę lub wyłączyć w zależności jakiej informacji potrzebujemy a jaka jest nam zbędna i niepotrzebnie zaciemnia mapę.
Mapa może być zorientowana na trzy sposoby, North Up ten tryb wyświetla mapę zorientowaną północa
do góry niezależnie od pozycji i kierunku poruszania się samolotu, tryb DTK Up (Destination Track Up) orientuje mapę tak aby aktualnie przebywany odcinek drogi cały czas skierowany był nieruchomo do góry ekranu natomiast sylwetka samolotu obrazująca pozycję samolotu poruszała się względem niego. Track Up umiejscawia
nieruchomo sylwetkę samolotu w centrum ekranu natomiast w zależności od kierunku samolotu mapa wyświetlana jest w odpowiedniej pozycji względem niego.
W menu strony Map Page dostępne jest narzędzie o nazwie Measure Distance dzięki któremu możemy
szybko zmierzyć odległość między dwoma dowolnymi punktami na mapie lub między pozycją samolotu a dowolnym punktem oraz określić kurs z punktu początkowego do punktu końcowego. Narzędzie to działa na zasadzie rysowania linii prostej w programach graficznych, na bieżąco wyświetlając odległość i kurs.
Map Page posiada dwa tryby wyświetlania, można wyświetlać samą mapę jest ona wtedy bardziej czytelna i odsłania większą powierzchnię, można też skorzystać z możliwości umieszczenia dodatkowych pól z informacją. Dostępne są cztery małe okna które można dowolnie zdefiniować co do zawartości, niektóre z możliwości to: aktualna prędkość, wysokość, czas do następnego punktu, minimalną bezpieczną wysokośc w danym
sektorze itd.
4. VNAV nawigacja pionowa
VNAV Vertical Navigation funkcja ta jest nowością
w tego typu urządzeniach i daje możliwość zdefiniowania
ścieżki schodzenia lub ścieżki wznoszenia w przestrzeni;
aby funkcja ta była dastępna urządzenie potrzebuje ciągłego namiaru z czterech satelitów.
Wizualizacja ścieżki schodzenia lub wznoszenia
może osbywać się na dwa sposoby, urządzenia na bieżąco
wyświetla prędkość pionową samolotu jaką powinien
utrzymywać pilot, poczynając od zdefiniowanego punktu
rozpoczęcia schodzenia lub wznoszenia, aby utrzymać się
na zdefiniowanej ścieżce oraz prędkość pionową jaką powinien zachować pilot aby osiągnąć wyznaczoną wysokość Rys.5 Schemat nawigacji pionowej
w zdefiniowanym punkcie zaczynając schodzenie lub VNAV scheme
wznoszenie z aktualnej pozycji.
Im bardziej samolot będzie zbliżał się do zdefiniowanego profilu schodzenia lub wznoszenia, tym bardziej te
obie wielkości będą się do siebie zbliżać, aby w końcu się zrównać, co będzie oznaczało, że samolot znajduje się
na zdefiniowanej ścieżce schodzenia lub wznoszenia. Tak więc zadaniem pilota jest takie sterowanie samolotem,
aby obie te wartości były takie same. Jeżeli urządzenie zaleci większą prędkość np.: schodzenia będzie to oznaczało, że samolot znajduje się ponad zdefiniowanym profilem schodzenia i wymagana jest większa prędkość
schodzenia, aby osiągnąć zdefiniowaną wysokość docelową w zdefiniowanym punkcie zakończenia schodzenia.
W przypadku gdy samolot znajduje się poniżej zdefiniowanego profilu schodzenia sytuacja jest dokładnie odwrotna.
Drugim prostszym w skaningu zobrazowaniem jest wykorzystanie możliwości podłączenia do urządzenia
wskaźnika GS (Glide Slope) zintegrowanego zwykle ze wskaźnikiem HSI lub VOR/LOC. Zdefiniowanie ścieżki schodzenia lub wznoszenia realizuje się przez podanie odpowiednich parametrów
P. Szydłowski
SP - 4
ścieżki,
TARGET ALTITUDE wysokość docelowa określona na
dwa sposoby, w odniesieniu do MSL (Mean Sea Level) lub
w odniesieniu do punktu drogi, przy czym punktem tym
może być jedynie lotnisko znajdujące się w bazie danych
urządzenia, ponieważ znajduje się tam informacja o elewacji tego punktu, w naszym przypadku lotniska.
Rys.6 Strona nawigacji pionowej
VNAV Page
TARGET POSITION ten parametr definiuje punkt docelowy, w którym ma być osiągnięta wysokość docelowa, punktem tym może być każdy punkt zawarty w bazie danych urządzenia, zarówno stały, jak i wprowadzony przez użytkownika, można także zdefiniować tzw. Offset, czyli odległość od tego punktu, w jakiej wysokość docelowa ma byś osiągnięta, offset posiada jeden parametr wyróżniający dwie wielkości: BEFORE oznacza odległość przed osiągnięciem punktu, AFTER oznacza odległość po minięciu punktu.
VS PROFILE wylicza z wyżej podanych parametrów prędkość pionową samolotu potrzebną do utrzymania się w zdefiniowanej ścieżce schodzenia lub wznoszenia.
VSR (Vertical Speed Required) prędkość pionowa samolotu potrzebna do osiągnięcia wysokości docelowej w zdefiniowanym punkcie zakończenia schodzenia lub wznoszenia z aktualnej pozycji samolotu.
System na 1 minutę przed osiągnięciem punktu rozpoczęcia schodzenia lub wznoszenia wyświetla komunikat informujący pilota o zbliżaniu się do zdefiniowanej ścieżki, podczas schodzenia lub wznoszenia system
wyświetli komunikat o zbliżaniu się do wysokości docelowej 500 stóp przed jej osiągnięciem.
5. Dodatkowe narzędzia planowania lotu
5.1 Fuel planning.
Funkcja ta pozwala na wyliczenie zużycia paliwa w czasie lotu, można ręcznie wprowadzić ilość paliwa FOB (Fuel On
Board) oraz prędkość podróżną GS (Ground Speed) i wyliczyć
teoretyczne zużycie paliwa dla każdego z Flight Planów zakodowanych w bazie danych przed lotem. Podczas lotu urządzenie na bieżąco wylicza zużycie paliwa w oparciu o faktyczny
Ground Speed, przebyty dystans i czas lotu. Jeżeli urządzenie
podłączone jest do pokładowego przepływomierza lub miernika
ilości paliwa dane o ilości paliwa zużytego paliwa są jeszcze
Rys.7 Planowanie zużycia paliwa
dokładniejsze.
Fuel planning
Dane zwracane przez funkcję Fuel Planning to:
REQ (Quantity Fuel Required) całkowita ilość paliwa potrzebna do przebycia trasy.
LFOB (Left Fuel On Board) pozostała ilość paliwa.
LRES (Leftover Fuel Reserve) pozostała rezerwa paliwa.
EFF (Effectiveness) przebyty dystans na jedną jednostkę zużytego paliwa np.: nautical miles per gallon
RNG (Range) zasięg w milach nautycznych.
ENDUR (Endurance) całkowity czas lotu.
5.2 Kalkulator nawigacyjny.
Oprogramowanie udostępnia użytkownikowi kalkulator do obliczania wysokości gęstościowej (Density Altitude), prędkości rzeczywistej TAS na zadanej wysokości
przy zadanej temperaturze. Wysokość można wprowadzić
ręcznie lub może ona być pobierana automatycznie jako
aktualna wysokość, na jakiej znajduje się samolot. Urządzenie nie posiada możliwości podłączenia czujnika temperatury. W oparciu o wprowadzoną prędkość przyrządową
CAS i dostępny Ground Speed urządzenie wylicza aktualną
Rys.8 Kalkulator nawigacyjny
prędkość wiatru natomiast w oparciu o podany kurs samoDensity Alt/TAS/Winds
lotu i
dostępny kierunek drogi urządzenie wylicza kierunek wiatru i jego składową czołową.
6. Wnioski
P. Szydłowski
SP - 5
Urządzenie do nawigacji satelitarnej GARMIN GNS 430 posiada szeroki zakres różnorodnych funkcji.
Daje możliwość prowadzenia szczegółowej nawigacji po trasie przelotu, wykonywania proceduralnych podejść
do lądowania, proceduralnych odlotów, w razie nieudanego podejścia prowadzi samolot po procedurze odlotu
po nieudanym podejściu. Oprogramowanie posiada również nerzędzia do przygotowania nawigacyjnego przed
lotem, dzięki obszernej bazie danych pilot nie potrzebuje praktycznie żadnych dodatkowych materiałów do
przeprowadzenia gruntownego przygotowania do lotu. Dostępny kalkulator wyposażony posiada algorytmy obliczania najbardziej przydatnych danych, jednocześnie interfejs oprogramowania jest jasny, intuicyjny i prosty w
obsłudze co czyni GNS 430 dostępny dla dużej liczby użytkowników zarówno w małym lotnictwie turystycznym jak i w lotnictwie komunikacyjnym.
Literatura
1.
2.
3.
GARMIN International Inc.J.. GNS 430 Pilots guide and reference,July 2000
J.Lawrence Article: GPS Technology so complicated and so easy...Flight Training Magazine 10.1999 str
21-26
www.garmin.com
DESCRIPTION OF THE MOST USEFULL FEATURES OF GARMIN GNS 430
Przemysław Szydłowski
This article contains general description of the most usefull functions of GPS reciever GARMIN GNS
430. This facility fetures very clear and logical software that provides fast and understandable information in
flight and on the ground. GNS 430 makes flight preparation unbelievabely easy, no additional information
source is neccecery than GARMIN Data Base which is provided togeather with the facility, this article will
make aware potential users of great possibilities that GARMIN GNS 430 is able to provide.
P. Szydłowski
SP - 6