Vertikální navádění a související pojmy v letectví

1. Vertikální navádění (VG)

Vertikální navádění (VG) zahrnuje kompletní soubor informací, příkazů a systémů, které umožňují přesné řízení trajektorie výšky letadla ve všech fázích letu. V jádru VG označuje prostředky, kterými posádka nebo automatizovaný systém řídí polohu letadla ve vertikální rovině – změny výšky vzhledem k zemi nebo poloze podle letového plánu. Patří sem elektronické signály (například ze skluzové roviny přístrojového přistávacího systému nebo skluzové dráhy založené na GPS), výpočetní navádění z integrované avioniky (například letový řídicí systém – FMS) a vizuální pomůcky jako PAPI (Precision Approach Path Indicators) a VASI (Visual Approach Slope Indicators).

Kde a jak se vertikální navádění používá

Vertikální navádění je nezbytné od vzletu po přistání. Během odletu a stoupání zajišťují VG systémy překonání překážek a dodržení standardních odletových tratí (SID). V cestovním letu VG zajišťuje let na přidělených výškách pro optimální výkon a separaci od ostatního provozu. Při klesání a přiblížení je VG zásadní – zejména v meteorologických podmínkách pro let podle přístrojů (IMC), kdy není vertikální poloha vzhledem k terénu a překážkám vizuálně patrná. Automatizované systémy využívají VG k následování složitých sestupových drah, splnění omezení na bodech a vyrovnání s požadovaným úhlem přiblížení. Ve finální fázi přiblížení VG – například skluzová rovina ILS nebo skluzová dráha odvozená z GPS – zajišťuje bezpečný a stabilní sestup k prahu dráhy.

Technické základy a regulační kontext

ICAO příloha 10 (letecké telekomunikace), příloha 14 (letiště) a PANS-OPS (Postupy pro letecké navigační služby – provoz letadel, Doc 8168) definují požadavky na systémy vertikálního navádění, jejich přesnost, integritu a schopnost varování. VG je klasifikováno jako „přesné“, pokud splňuje přísné standardy přesnosti navádění a varování (např. ILS kategorie I, II, III), nebo jako „přiblížení s vertikálním naváděním“ (APV), pokud poskytuje stabilizovanou skluzovou dráhu bez splnění všech kritérií přesného přiblížení (např. LPV, LNAV/VNAV). Vizuální systémy (PAPI, VASI) jsou upraveny v příloze 14 a poskytují pilotům vertikální informace během přiblížení a přistání.

Provozní příklad

Při přiblížení podle ILS autopilot nebo letový ředitel navazuje na signál skluzové roviny a vede letadlo po přesné sestupové dráze pod úhlem 3° ke dráze. Během STAR (standardní příletová trať) FMS vypočítává potřebný sestupový profil a vydává vertikální navádění pro splnění zveřejněných omezení výšky, což umožňuje plynulý přechod z cestovního letu do přiblížení.

2. Vertikální navigace (VNAV)

Vertikální navigace (VNAV) je funkce moderní avioniky, která automatizuje řízení výšky, vertikální rychlosti a někdy i rychlosti podél definované laterální trasy. VNAV využívá data o výkonnosti letadla, podmínky prostředí (vítr, teplota) a provozní omezení (výšky a rychlosti na bodech) k vytvoření vertikálního profilu – plánu, kdy a jak letadlo stoupá, cestuje, klesá a vyrovnává let. VNAV logika je nedílnou součástí pokročilých letových řídicích systémů (FMS) a je dostupná ve většině moderních dopravních letadel a business jetů, stejně jako v některých pokročilých letounech všeobecného letectví.

VNAV v praxi

VNAV se obvykle zapíná po vzletu, kdy řídí rychlost stoupání a zrychlení a zajišťuje dodržení odletových postupů. V cestovním letu může VNAV upravit výšku pro optimalizaci spotřeby paliva nebo na žádost řízení letového provozu. Nejkritičtější využití VNAV je při klesání a přiblížení: systém vypočítá bod zahájení sestupu (T/D) a naplánuje sestupový profil, který splní všechna zveřejněná nebo ATC stanovená omezení výšky a rychlosti. VNAV pracuje v několika režimech, včetně „path“ (sledování geometrického sestupového úhlu), „speed“ (priorita cílové rychlosti před dráhou) a „altitude hold“ (let na konstantní výšce).

Technická a regulační základna

Standardy ICAO a FAA (viz ICAO Doc 8168, FAA AC 120-108) stanovují požadavky na výkon VNAV, včetně přesnosti vertikální dráhy, reakce na omezení a logiky varování. VNAV musí zohledňovat nastavení barometrického tlaku, odchylky teplot (zejména u Baro-VNAV) a musí jasně indikovat aktivní a připravené režimy. Konstrukce systému zajišťuje, že piloti jsou varováni při odchylce od vypočítané dráhy nebo nesplnění omezení.

Provozní příklad

Po dosažení cestovní výšky FL350 pilot aktivuje VNAV. FMS vypočítá T/D 120 námořních mil od letiště. Jakmile se letadlo blíží k T/D, autopilot zahájí plynulý sestup na volnoběh a upravuje rychlost sestupu, aby splnil omezení „přeletět 10 000 ft ve vzdálenosti 30 nm“, přičemž bere v úvahu předpovídaný vítr a atmosférický tlak.

3. Vertikální profil

Vertikální profil je grafické nebo tabulkové zobrazení plánovaných nebo skutečných změn výšky letadla na trase, vynesených jako výška vůči vzdálenosti po zemi nebo času. Obsahuje všechna stoupání, klesání, vyrovnávací úseky a přesné body těchto přechodů, jako je horní bod stoupání (T/C), horní bod sestupu (T/D) a body postupného klesání. Vertikální profil je výsledkem laterálního letového plánu a vertikálních omezení, která jsou syntetizována FMS nebo jiným plánovacím nástrojem.

Využití vertikálního profilu

Piloti a posádky používají vertikální profil k předvídání nadcházejících změn výšky, sledování dodržení omezení ATC a postupů a k plánování řízení energie (použití plynu a brzdících štítů). V moderních „glass cockpit“ je vertikální profil obvykle zobrazován společně s laterální trasou na navigačním displeji, s vyznačenými omezeními výšky a očekávanými vyrovnávacími úseky. FMS průběžně aktualizuje vertikální profil v reálném čase a přepočítává jej při změně polohy letadla, větru nebo pokynů ATC.

Technické detaily

Sestavení vertikálního profilu zahrnuje výpočty zpětně i dopředu: FMS často pracuje zpětně od finálního přiblížení nebo bodu sestupu a integruje všechna zveřejněná omezení výšky a rychlosti, data o výkonnosti (např. hmotnost a odpor letadla) a environmentální vstupy. Profil musí zajistit splnění kritérií ICAO a FAA pro vyhnutí se překážkám a požadavky na stabilizované přiblížení.

Příklad

Pilot si před sestupem prohlíží displej vertikálního profilu, kde jsou vyrovnávací úseky na 12 000 ft a 10 000 ft podle omezení STAR. FMS zobrazuje kontinuální sestupovou dráhu s očekávanými vyrovnáními, což umožňuje pilotovi plánovat změny výkonu a případné použití brzdících štítů.

4. Vertikální dráha

Vertikální dráha je skutečná nebo vypočtená trajektorie, kterou letadlo sleduje ve vertikální rovině, definovaná postupností výšek, rychlostí a úhlů stoupání nebo klesání mezi body nebo fixy. Na rozdíl od vertikálního profilu, který je plánem či zobrazením, je vertikální dráha skutečně realizovanou nebo právě létanou trasou, často vyjádřenou jako geometrický úhel (například skluzová dráha 3°) nebo sestup optimalizovaný pro výkon (například sestup na volnoběh).

Použití a řízení

V automatizovaném letu využívají FMS a autopilot vertikální dráhu ke generování příkazů na sklon a tah, aby letadlo zůstalo na zamýšleném sestupovém či stoupacím úhlu. Při přiblížení je vertikální dráha obvykle definována konstantním sestupovým úhlem od koncového bodu přiblížení (FAF) k prahu dráhy, což zajišťuje vyhnutí se překážkám a stabilizované přistání. V manuálním letu piloti používají indikátory vertikální dráhy (například ukazatel odchylky na hlavním letovém displeji), aby udrželi požadovaný sestupový úhel.

Technické a regulační aspekty

Výpočet vertikální dráhy podléhá přísným požadavkům na přesnost a integritu, zejména při přiblíženích s vertikálním naváděním (APV) a přesných přiblíženích. FMS musí průběžně zohledňovat změny rychlosti po zemi, větru, teploty a výkonu letadla pro udržení správné dráhy. U některých přiblížení (například Baro-VNAV) je vertikální dráha citlivá na nastavení výškoměru a teplotu, což vyžaduje pečlivou předletovou kontrolu.

Provozní příklad

Při přiblížení RNAV (GPS) FMS vypočítá geometrický sestupový úhel 3° od FAF k dráze, poskytuje autopilotu kontinuální navádění po vertikální dráze a pilotovi zobrazuje odchylku vertikální dráhy.

5. Letový řídicí systém (FMS)

Letový řídicí systém (FMS) je integrovaný „mozek“ avioniky většiny moderních dopravních a business letadel, zodpovědný za automatizaci navigace, vertikálního i laterálního navádění a řízení výkonnosti. FMS komunikuje s navigačními senzory (GPS, DME, IRS), počítači letových dat a autopilotem/letovým ředitelem za účelem sestavení komplexního letového plánu včetně laterálního i vertikálního profilu.

Funkční využití

FMS je před letem naprogramován plánovanou trasou, cestovní výškou a daty o výkonnosti (hmotnost, palivo, cost index). Vypočítává optimální vertikální dráhu, zahrnující horní bod stoupání (T/C), cestovní let, horní bod sestupu (T/D) a všechny mezilehlé vyrovnávací úseky pro splnění zveřejněných i ATC stanovených omezení. Během letu FMS dynamicky aktualizuje letový plán a vertikální profil podle změn větru, teploty, pokynů ATC nebo odchylek. Generuje příkazy na sklon, tah a rychlost pro autopilota a autothrust, čímž zajišťuje dodržení plánovaného profilu.

Technické detaily a normy

Návrh FMS se řídí normou ARINC 702 (standard FMS), ICAO PBN manuálem (Doc 9613) a RTCA DO-178/DO-254 pro integritu softwaru a hardwaru. Systém musí poskytovat jasné indikace režimů, spolehlivé varování při nesplnění omezení a intuitivní rozhraní pro zadání pilotem. Novější FMS podporují také funkce „direct-to“ a změny tras za letu, což umožňuje rychlou úpravu letového plánu a souvisejícího vertikálního navádění.

Provozní příklad

Při sestupu na velké letiště FMS řídí sestup na volnoběh a upravuje rychlost sestupu, aby splnil omezení STAR „přeletět 10 000 ft v 250 uzlech“, přičemž bere v úvahu protivítr a odchylky teploty. Autopilot a autothrust sledují příkazy FMS pro stabilizované přiblížení.

6. Letové navádění

Letové navádění zahrnuje palubní avioniku, řídicí zákony a rozhraní člověk-stroj, která převádějí informace o navigaci a letovém profilu na řídicí příkazy pro ovládací plochy a motory letadla. Patří sem autopilot (AP), letový ředitel (FD), autothrottle/autothrust (AT) a související zobrazovací systémy.

Praktická funkce

Při automatickém letu FMS generuje příkazy pro vertikální a laterální navádění, které jsou předávány autopilotu a autothrustu. Autopilot upravuje sklon a náklon pro sledování požadované dráhy, zatímco autothrust řídí výkon motoru pro udržení cílové rychlosti. Letový ředitel, obvykle zobrazený jako příkazové čáry nebo symboly na hlavním letovém displeji (PFD), poskytuje vizuální navádění pro ruční let – pilot tak může ručně řídit letadlo přesně podle vypočtené dráhy.

Technické a regulační detaily

Systémy letového navádění musí splnit přísné certifikační požadavky na integritu, redundanci a řízení selhání (viz EASA CS-25, FAA Part 25, DO-178C). Systém musí poskytovat jednoznačné indikace režimů, jasná varování při selhání a podporovat jak plnou automatizaci, tak ruční převzetí. Pokročilá logika letového navádění umožňuje řízení přechodů mezi režimy stoupání, cestovního letu, sestupu a přiblížení, stejně jako umožňuje automatizovaná přiblížení až do minima CAT III na ILS.

Příklad

Při řízeném sestupu autopilot a autothrust sledují vertikální dráhu generovanou FMS a upravují sklon a tah pro splnění všech omezení výšky a rychlosti. Pokud pilot odpojí autopilota, letový ředitel zůstává aktivní a umožňuje pilotovi ručně sledovat stejnou vypočtenou dráhu pomocí vizuálních naváděcích prvků.

7. Omezení výšky

Omezení výšky je zveřejněný nebo ATC stanovený požadavek přeletět konkrétní bod, fix nebo úsek postupu na, nad, pod nebo v rámci stanoveného výškového rozsahu. Omezení výšky zajišťují vyhnutí se překážkám, separaci provozu a plynulý tok příletů a odletů.

Typy omezení výšky

• Na (pevné omezení): Letadlo musí přeletět bod v určené výšce (např. „PŘELETĚT XYZ NA 10 000“).
• Na nebo výše: Nesmí klesnout pod určenou výšku v daném bodě (např. „NA NEBO VÝŠE 5 000“).
• Na nebo níže: Nesmí stoupat nad určenou výšku v daném bodě (např. „NA NEBO NÍŽE 7 000“).
• Okno (mezi): Musí být v určeném výškovém rozmezí (např. „NA NEBO VÝŠE 6 000, NA NEBO NÍŽE 8 000“).

Integrace a dodržení

FMS začleňuje všechna omezení výšky do vertikálního profilu a zajišťuje, že vypočtená dráha splňuje veškeré požadavky na vyhnutí se překážkám i tok ATC. Systém plánuje vyrovnávací úseky podle potřeby pro splnění pevných nebo oknových omezení a podle toho upravuje rychlost stoupání/sestupu. V kokpitu jsou omezení zobrazena na stránce FMS s body, na navigačním displeji a někdy i na zobrazení vertikálního profilu.

Provozní příklad

Při příletu na rušné letiště vyžaduje STAR přeletět „WATER“ na nebo výše 7 000 ft. FMS zajistí, aby letadlo nekleslo pod 7 000 ft před tímto bodem, a v případě potřeby vyrovná výšku před pokračováním sestupu.

8. Omezení rychlosti

Omezení rychlosti je zveřejněný nebo ATC stanovený požadavek přeletět konkrétní bod nebo fix v určité maximální, minimální, nebo v rozmezí stanovené indikované rychlosti. Omezení rychlosti je zásadní pro sekvenování příletů, omezení hluku a zajištění bezpečného provozu v terminálovém prostoru.

Uplatnění a využití v letu

Omezení rychlosti jsou naprogramována do FMS jako součást letového plánu. FMS vypočítává body zpomalení a plánuje snížení tahu nebo použití brzdících štítů, aby letadlo přeletělo fix s požadovanou rychlostí. Autopilot a autothrust úzce spolupracují při řízení rychlosti, přičemž FMS poskytuje cílové hodnoty rychlosti a včasná varování.

Provozní příkladperational Examplel Example