Для чего используется волнистость геоида в авиации?

Земная гравитация неоднородна из-за неравномерного распределения массы/материи. Выше приведена стандартная модель, используемая для описания волнистости (разницы вверх/вниз) геоида: форма земной морской поверхности, основанная на гравитации и вращении (ветры и волны не учитываются).

Спутники GNSS вращаются вокруг центра тяжести Земли (одной точки). Таким образом, будут различия между тем, что измеряет GNSS на основе своей модели Земли (на основе этой единственной точки: эллипсоида), и фактическим.

Не все страны придерживаются приведенного выше стандарта, поэтому трудность заключается в том, чтобы согласиться с моделью. Устройства GNSS используют справочные таблицы, чтобы исправить разницу (две сферы в вашем посте — это разница между тем, что видит спутник, и тем, что он должен видеть).

Кабины пилотов не показывают. Они используют указанные или барометрические высоты / уровни , которые работают на барометрическом давлении.

Для индикации в кабине: системы GNSS не могут заменить статические измерения Пито, потому что у всех должна быть одна и та же система и надежная частота обновления, независимая от внешних источников. Как показано на изображении ниже, высота/уровень на основе давления также волнообразны из-за неравномерного поверхностного давления и градиентов. Самолеты летают вверх и вниз в горизонтальном полете, но это трудно заметить.

( Источник )

Для нанесения на карту местности: какую бы систему ни использовала страна для обозначения местности на своих картах, они будут указывать источник в AIP, как вы продемонстрировали. Для геоида страны могут даже использовать разные модели, как я писал ранее.

Хорошей новостью является то, что каждая местная станция будет корректировать QNH в зависимости от давления на уровне моря в зависимости от страны, в которой они находятся.

RE редактировать:

821 фут — это буква « H », которая представляет собой отметку над уровнем моря с учетом геоида. « h » — это то, что измеряет нескорректированный приемник GNSS (982 фута на этом изображении), и его необходимо скорректировать на « N » (161 фут). Положительная волнистость удаляется, так как она находится выше «исходной точки эллипсоида».

Для чего его используют?

В кабине не используется. Он используется для местных карт (стандарты различаются от места к месту; источник упоминается в AIP).

РЕ примечание:

Если самолет находится на высоте 35 000 футов над аэропортом Сент-Экзюпери, это дает два возможных горизонтальных положения, которые для самолета могут быть очень удалены.

Нет. Но я должен объяснить, почему. В сети нет диаграммы, чтобы объяснить это, так как это нет, поэтому я сделал свою собственную ошибочную диаграмму.

• синий это геоид
• заштриховано эллипсоидом
• красный - нескорректированная высота приемника (минус бит, проходящий через Землю)
• зеленый кружок показывает различные положения поверхности на основе нормалей от разных высот эллипсоида до геоида (что предлагается; это неверно)
• (ξ, η) — это отклонение вертикали , угол исходит от земли, поскольку топография (отличная от геоида) не показана выше, она возникает из того места, где встречаются геоид и эллипсоид (правильный уровень моря для обеих моделей)

Отклонение по вертикали:

Представьте себе стол с неравномерными ножками, так что два противоположных угла находятся на одном уровне, а два других — нет. Если я положу мяч на этот стол, он переместится в нижний угол.

Если я хочу измерить уровень этого стола относительно потолка/земли, мне понадобятся два вертикальных угла, один с севера на юг и один с востока на запад. Если бы у нас был один угол, мы бы не знали направление уровня. Вот почему используются два угла.

Измерение этого отклонения является ключевым элементом в знании волнистости (она меняется от места к месту). Вот угол, который вызывает эту путаницу.

х и у:

Теперь представьте себя на вершине памятника, этот памятник имеет координаты эллипсоида x и y. Затем вы прикрепляете себя к метеозонду и поднимаетесь прямо вверх (с учетом гравитации). Ваш портативный приемник GNSS не будет отображать разные значения x и y по двум причинам:

1. x и y не являются производными от z (независимо от того, скорректированы они или нет)
2. ваше местоположение на эллипсоида (x, y) не имеет ничего общего с волнистостью

Волнистость — это поправка на z, она не смещает ваше [физическое и измеренное] текущее местоположение независимо от высоты. Если высота (красная линия) направлена ​​прямо вверх от памятника, то слева и справа от красной линии будут разные неровности для разных мест.

Обратите внимание, что я не мог бы нарисовать ошибочные нормали по другую сторону красной линии, даже если бы захотел.

Прочтите эту статью: Чем высоты, полученные с помощью GNSS, отличаются от других систем высот? Он объясняет, где требуется высокая точность, и проблемы, которые могут возникнуть, когда две страны с разными геоидными системами решают построить мост между собой.

Как упомянул @JanHudec , EGPWS нуждается в исправлении, потому что его модель является эллипсоидной. Таким образом, стране x нужна система, с помощью которой они измеряют геоид, его волнистость и сообщают авиационной отрасли о поправках. Вот почему, когда аэропорта нет в базе данных, пилот получает «осторожно, местность», когда они находятся на правильном заходе на посадку.

Еще одним приложением является минимизация дрейфа инерциальных навигационных систем, поскольку они по своей сути указывают астрономическую вертикаль . Дешевле просто исправить дрейф с помощью GNSS, например, на Боинге 787 ( выравнивание в движении ).

Как пилот, все зависит от высотомера или радиовысотомера ниже 200 футов над уровнем моря. Понятно, что «высота GPS» несколько близка, но не будет точно совпадать, но это все, что нам нужно.

Военные пилоты, занимающиеся целеуказанием (на земле, перед миссией), могут довольно глубоко вникать в подобные вещи, но в мире авиаперевозок все дело и только в вашем высотомере на панели перед вами.

Как уже объяснялось, в самолетах, оборудованных для IFR, высота GPS не отображается. Он используется в EGPWS, но имеет ли карта, закодированную с высотами геоида и отдельной моделью геоида, или карта, закодированная непосредственно в высотах эллипсоида, является деталью реализации EGPWS.

Однако сверхлегкие самолеты могут не быть оснащены стандартными приборами, и многие пилоты дополняют то немногое, что у них есть, устройствами GPS. Часто это простые ручные наружные блоки, которые могут не иметь модели геоида и, таким образом, могут отображать высоту эллипсоида вместо высоты геоида (= высота над уровнем моря).

Таким образом, мое обоснованное предположение состоит в том, что волнистость геоида публикуется в интересах пилотов сверхлегких (включая парапланов, а также воздушных шаров и т. д.), летающих с GPS.

Те, кто говорят, что «в авиации все зависит только от высотомера», слишком упрощают ситуацию сегодня, когда инструментальные подходы на основе GNSS обеспечивают вертикальное наведение. Барометрическая высота будет использоваться для определения точки, в которой пилот должен уйти на второй круг, если среда взлетно-посадочной полосы не видна, но глиссада, по которой следует самолет, будет генерироваться бортовой навигационной системой GNSS с использованием нулевой высоты с поправкой на волнистость Geiod. ' в точке приземления на взлетно-посадочной полосе.

Хорошо известно, что между заданной контрольной высотой в определенной точке траектории снижения и фактической барометрической высотой часто будут возникать расхождения, поэтому такие подходы могут указывать минимальную температуру, ниже которой подход не может быть использован.

Короткий ответ

• Публикация волнистости геоида является рекомендацией ИКАО. Не все страны готовы к этому, поэтому информация часто отсутствует. GNSS — это датчики, способные выдавать высоту над эллипсоидом, для получения значения MSL нужно вычесть волнистость геоида (некоторые GNSS делают эту операцию сами, некоторые нет).

• Волнистость не используется экипажами, а правила запрещают использование высот GNSS. Для офицеров УВД и экипажей воздушных судов вертикальная навигация по маршруту и ​​в районе аэродрома осуществляется исключительно с использованием барометрических значений, даже когда бортовое радиоэлектронное оборудование использует GNSS в фоновом режиме (например, при заходах на посадку по LPV/GBS).

• Поэтому на данный момент все высоты на картах выражаются как значения над уровнем моря (MSL), что является общепринятым эталоном высоты.

• Для разработки захода на посадку с вертикальным наведением GNSS необходимо знать волнистость геоида, поскольку процедура начинается с высот MSL, но конечная точка (пересечение порога) схемы кодируется в навигационной базе данных с использованием эллипсоидальных высот. Например, для захода на посадку GBAAS точки LTP, GPIP и FPAP относятся не к MSL, а к эллипсоиду (который отличается от MSL волнистостью геоида): ^{Схема захода на посадку GBAAS (GLS) с LTP, GPIP и FPAP, привязанными к эллипсоидальной высоте час Источник}
  
  
  

• Может пройти много времени, прежде чем некоторые страны смогут опубликовать значение волнистости для взлетно-посадочных полос, поскольку для определения волнистости в интересующей точке с точностью до 25 см требуется расширенная система нивелирования, основанная на подробных гравиметрических данных съемок, связанных с WGS. -84 точки отсчета высоты.

Значение волнистости рекомендовано ИКАО

Руководство WGS-84 / Doc 9674 :

1.4.8: Высоты, полученные с помощью GNSS, привязаны к эллипсоиду WGS-84, который обычно отличается от «нормальной» (ортометрической) высоты в той же точке. Разница будет иметь значение в условиях аэродрома при навигации с помощью датчиков GNSS. Поэтому разница между ортометрической высотой (высотой геоида, возвышением) и эллипсоидальной высотой WGS-84 должна быть доступна авиационному сообществу. Высота, разделяющая геоид и эллипсоид WGS-84, является волнистостью геоида.

1.4.9: Волнистость геоида требуется для возвышений аэропорта, порогов ВПП и зон приземления и отрыва (TLOF) или порогов зон конечного захода на посадку и взлета (FATO) на вертодромах. (См. также Приложение B.)

Таким образом, эта рекомендация также содержится в Приложении 4 (Аэронавигационные карты) Чикагской конвенции:

2.18.2.1 В качестве вертикальной системы отсчета должен использоваться средний уровень моря (MSL), который дает отношение гравитационной высоты (превышения) к поверхности, известной как геоид.

2.18.2.2 В дополнение к отметкам относительно MSL для конкретных точек съемки на земле также должна быть опубликована волнистость геоида (относительно эллипсоида WGS-84) для этих точек, как указано для конкретной карты.

и в Приложении 15 (Службы аэронавигационной информации), в котором также рекомендуется определять волнистость геоида по гравиметрической модели EGM96 , а когда она не используется, включать надлежащие преобразования из модели, используемой в EGM96.

Связанные с ИКАО рекомендации еще не везде выполняются

Это не означает, что все члены ИКАО в настоящее время выполняют эти рекомендации, например, в Великобритании из раздела AIP GEN 1.7 (отличия от ИКАО):

• В Великобритании OSGM02 — это модель геоида, используемая для определения высот над средним уровнем моря.
• Параметры преобразования высоты между OSGM02 и EGM-96 не публикуются.
• Волнистость геоида геометрического центра TLOF или каждого порога FATO не публикуется.

или для Индии, GEN 1.7 :

Волнистость геоида WSG-84 не публикуется.

С точки зрения пилота, высоты GNSS не используются в полете, навигация основана на барометрических уровнях (QNE) или барометрических высотах (QNH). Для Франции, пример в вопросе, AIP включает это предупреждение:

GEN 2.1.4.2 : внимание пользователя обращается на то, что публикация данных о волнистости геоида не изменяет ограничения на использование GPS. В частности, нельзя использовать информацию о высоте, предоставляемую GPS.

MSL против высоты геоида против GPS/высоты эллипсоида

MSL по определению является высотой (или высотой) над средней высотой прилива. До недавнего времени эталон определялся с помощью мареографов . Поскольку WGS-84 был установлен в качестве глобального эталона для аэронавигационных карт (1998 г.), MSL аппроксимируется поверхностью геоида . Высота над геоидом называется ортометрической высотой и обозначается буквой H.

^{Эллипсоид и геоид, источник: Trimble}

MSL и H почти эквивалентны, однако определение геоида относится к эквипотенциалу силы тяжести, совпадающему с формой, которую поверхность океана приняла бы только под действием силы тяжести и вращения Земли, если бы другие влияния, такие как ветры и приливы, отсутствовали. . На фактический средний уровень моря могут влиять местные события (например, течения), учитываемые приливным датчиком, в то время как геоид представляет собой поверхность с равной гравитацией.

С другой стороны, эллипсоид WGS-84 представляет собой аппроксимацию объема Земли в виде идеальной сплюснутой сферы радиусом 6378x6357 км. Он также пытается совпасть с уровнем моря на земном шаре. Высота над эллипсоидом известна как эллипсоидальная высота, высота над эллипсоидом (HAE) или h.

В то время как эллипсоид является геометрической моделью, геоид является физической (гравитационной) моделью. Неудивительно, что эллипсоид и геоид не совпадают. Геоид может быть локально выше (до +86 м) или ниже (до -107 м) эллипсоида, в зависимости от местных аномалий силы тяжести (горы, океанические впадины, плотность земной коры и т. д.). Разница называется волнистостью геоида (или высотой геоида) N.

Конечно, H = h - N, векторная форма, поскольку геоид и эллипсоид обычно не параллельны локально .

Приемники GNSS могут определять h, любое значение H вычисляется из h, а значение N интерполируется из точек во встроенной сетке, установленной из гравитационной модели, ИКАО рекомендует EGM-96 в качестве глобальной гравитационной модели, но более старая GNSS используйте Приложение 6 стандарта НАТО STANAG 4294.

Способ вычисления высоты следующий:

• GNSS определяет трехмерное положение от спутников, выраженное как x, y, z в декартовой системе координат с центром на Земле.
• Положение преобразуется в широту, долготу и h с использованием модели эллипсоида и полярной системы отсчета.
• Необязательно H вычисляется из h с использованием модели геоида.

Формулировка, используемая в авиации для обозначения высоты по GNSS.

Формулировкой, относящейся к высотам, достаточно злоупотребляют в геодезической области. В области авиации/GNSS часто используется особая формулировка, чтобы предотвратить дальнейшую путаницу:

• HAE (высота над эллипсоидом) следует использовать для h.
• HAG (высота над геоидом) следует использовать для H.

а высота GNSS MSL иногда также упоминается как высота над геоидом (HAG) ( EASA )! Обе высоты также считаются геометрическими в том смысле, что они представляют собой фактические расстояния, а не перепады давления.

Высотомер GNSS не показывается экипажу напрямую (как отметил Коди П. , некоторые бортовые электронные устройства могут иметь возможность отображать их), но появляется при автоматической обработке, например, при заходах на посадку LPV и сообщениях ADS-B или в TAWS (как отмечает Коди П. ).

Для разработки подхода SBAS необходимо знать информацию о волнистости геоида.

Подходы с вертикальным наведением основаны на работе GNSS со спутниковой системой дополнений ( SBAS ) (хорошо известны WAAS в США и EGNOS в Европе, но есть и другие, включая MSAS, GAGAN, SDCM, SNAS, см. эту карту ) или GBAS/LAAS . Конечный участок схемы захода на посадку описан в ARINC-424 блоком данных FAS, включающим абсолютную высоту как HAE, например, для описания контрольной точки посадки (LTP/FTP).

Однако эти значения используются только системой управления полетом (FMS, FMGS), которая вычисляет траекторию захода на посадку по GNSS. Экипаж по-прежнему работает с показаниями барометра/радиоальтиметра для оценки минимумов и принятия решений, а заход на посадку контролируется с помощью стандартного индикатора отклонения от курса ILS.

Поскольку процедура и бортовые датчики используют только значения HAE, нет необходимости преобразовывать их в HAG, волнистость геоида не требуется для работы процесса. Однако разработчики схем, скорее всего, начнут с высот MSL и при необходимости преобразуют их в высоты HAE, используя информацию о волнистости.

Использование GNSS в авиации все еще находится в зачаточном состоянии, зрелость, вероятно, наступит с будущими моделями ATS/ATM и интеграцией в ускоренном темпе растущего беспилотного трафика. Будет ли использоваться высота геоида или эллипсоида, или и то, и другое, еще предстоит определить, но...

ADS-B будет использовать эллипсоидальную высоту GNSS.

Сообщения ADS-B в режиме S содержат барометрическую высоту (1013,2 гПа), как и в режиме C, и, необязательно, высоту GNSS, которая может быть основана на высоте геоида или эллипсоида, например, для Airbus , это зависит от стандарта транспондера ADS-B ( DO-260 ). ):

• А320 и А330
  • DO-260: МСЛ
  • DO-260A HAE или, если недоступен, MSL
  • DO-260B: НАЕ
• A350 и A380: всегда HAE

Регулирование должно лучше определить, как будут измеряться высоты, FAA пытается продвинуться вперед в AC 20-165B :

Геометрическая высота для целей ADS-B — это высота над эллипсоидом WGS-84 (HAE). Геометрическая высота должна быть передана в соответствии с 14 CFR 91.227.

Выбор h (HAE) мотивирован тем фактом, что h — это необработанное значение, вычисленное приемником GNSS, в то время как для H требуется дополнительная встроенная справочная таблица.

Поскольку ADS-B будет использовать только HAE, опубликованная информация о волнистости также бесполезна в этом приложении.