Inspekcja wzrokowych pomocy nawigacyjnych z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych – ewolucja czy rewolucja?

Lotnisko zajmuje ogromny obszar, na który składają się drogi startowe, drogi kołowania, płyty postojowe i obszar zielony wokół drogi startowej.

Poruszanie się w środowisku naziemnym lotniska uznawane jest za jedną z najtrudniejszych faz wykonywanej operacji lotniczej. Określenie tej fazy, jako najtrudniejszej wynika z jej wieloaspektowości, w której należy uwzględnić operowanie w warunkach zmiennego poziomu natężenia ruchu, wykonywanie operacji w warunkach ograniczonej widoczności oraz nadążanie za postępem technologicznym w zakresie zarówno wyposażenia lotniska w odpowiednią infrastrukturę, jak i w zakresie wyposażenia statków powietrznych w odpowiednie systemy pokładowe. Nie bez znaczenia jest również pora i warunki oświetlenia podczas wykonywania operacji.

Chcąc zapewnić wysoki poziom bezpieczeństwa wykonywanych operacji, szczególnie na dużych lotniskach z wysokorozwiniętą infrastrukturą, należy właściwie oznaczyć poszczególne jej elementy, np. oznakowaniem poziomym, czy też odpowiednim oświetleniem. Świetlne pomoce nawigacyjne poprawiają orientację przestrzenną pilotów dzięki naprowadzaniu ich na odpowiednią trajektorię ruchu w fazie kołowania, startu czy podejścia do lądowania.

Parametry techniczne, konfiguracja świateł lotniczych, sposób działania i użytkowania są określone przepisami międzynarodowymi. Przepisy te określają również częstotliwość inspekcji wzrokowych pomocy nawigacyjnych oraz parametry, jakie są wtedy sprawdzane.

Obecnie wzrokowe pomoce nawigacyjne kontrolowane są z powietrza, głównie za pomocą odpowiednio wyposażonego statku powietrznego.W trakcie inspekcji osoby dokonujące oblotu weryfikują poprawność działania świateł. Najczęściej usługa ta stanowi część kompleksowych usług pomiaru oświetlenia lotniskowego. Usługi te są świadczone przez wyspecjalizowane podmioty tzw. Flight Inspection Service Providers i są świadczone przy okazji innych pomiarów, gdyż ich głównym celem jest dokonanie kompleksowych zaawansowanych pomiarów: ILS CAT I/II/III (Instrument Landing System), VOR (Very-High-Frequency Omnidirectional Range), NDB (Non-Directional Beacon) oraz DME (Distance Measuring Equipment). Natomiast sam pomiar wzrokowych pomocy nawigacyjnych obejmuje - ALS – Approach lighting system i PAPI (ang. Precision Approach Path Indicator) i stanowi jedynie ok 5% ich usług. Taka usługa opiera się wyłącznie na inspekcji wizualnej, bez stosowania zaawansowanych rozwiązań technologicznych. Inspekcje wzrokowych pomocy nawigacyjnych wykonywane z wykorzystaniem samolotu stanowią 99% tego typu inspekcji. Pozostałe 1% inspekcji to nowatorskie rozwiązania, w których wykorzystuje się postęp technologiczny i wynikające  z tego korzyści.

Obecnie, coraz więcej firm wykorzystuje w swych działaniach bezzałogowe statki powietrzne, które również znalazły zastosowanie w we wszelkiego rodzaju inspekcjach, w tym w inspekcjach wzrokowych pomocy nawigacyjnych. Firma Airotec jest pierwszą w Polsce, która obecnie jest w trakcie zaawansowanych prac nad stworzeniem innowacyjnej technologii kontrolno-pomiarowej w formie zintegrowanego systemu do obsługi wzrokowych pomocy nawigacyjnych przy pomocy bezzałogowego statku powietrznego (BSP), będąca niezawodną i ekonomiczną alternatywą dla konwencjonalnych kontroli prowadzonych z powietrza umożliwiając tym samym większą elastyczność i zwiększając automatyzację w kalibracji pomocy nawigacyjnych w portach lotniczych. Opracowana technologia, a docelowo kompleksowa usługa inspekcji wzrokowych pomocy nawigacyjnych ma być konkurencyjną ofertą dla obecnie świadczonych usług z wykorzystaniem załogowego statku powietrznego.

Kontrola będzie prowadzona poprzez kalkulacje na podstawie analizy rejestrowanego obrazu i odczytu czujników znajdujących się na pokładzie drona. Cała operacja może być przeprowadzona w czasie nie dłuższym niż 25 min. Dron wykonując lot autonomiczny po trasie określonej przez wcześniej zdefiniowane punkty rejestrując obraz w odpowiednim położeniu, będzie monitorować stan lamp świetlnych poszczególnych urządzeń.

Tego typu rozwiązanie technologiczne pozwoli również na znaczną redukcję kosztów (ok. 50 %), skrócenie procesu inspekcji (ok. 73 %) oraz obniżenie emisji CO2 (ok. 98 %), gdyż proponowana usługa jest przyjazna środowisku, nie emituje zanieczyszczeń i hałasu, dzięki czemu może być prowadzona również w nocy. Projektowany system będzie w pełni autonomiczny i nie będzie wymagał specjalistycznie wyszkolonego personelu do prowadzenia inspekcji.

Konwencjonalna inspekcja lotnicza wykorzystująca statek powietrzny wymaga dokonania wielokrotnych oblotów do przeprowadzenia oceny poprawności działania nawigacyjnych systemów świetlnych. Każdorazowe sprawdzenia ustawienia kątowego świateł PAPI wymaga oddzielnego przelotu samolotem. Opracowywana usługa przewiduje wykonanie dwóch operacji inspekcji za pomocą bezzałogowego statku powietrznego (BSP): oddzielnie światła PAPI oraz oddzielnie światła podejścia i światła drogi startowej. Optymalnym statkiem powietrznym do wykonania tych pomiarów jest statek powietrzny typu VTOL (ang. Vertical take-off and landing), który umożliwi lot pionowy. Ze względu na warunki atmosferyczne, głównie wiatr panujący na otwartych przestrzeniach w okolicy drogi startowej, jednym z najważniejszych wymagań są parametry wpływające na stabilizację lotu tj., waga, czy odporność na wiatr.

Pozyskanie materiałów foto-wideo infrastruktury lotniskowej przed wykonaniem inspekcji lotniczej zapewnia możliwość analizy porównawczej dostępnych informacji ze źródeł zewnętrznych w tym dokumentacji lotniskowej czy zbioru informacji lotniczej AIP (ang. Aeronautical Information Publication) ze stanem faktycznym na lotnisku. Takie podejście znajdzie swoje zastosowanie na lotniskach mniej rozwiniętych, a które podlegają pod te same przepisy w zakresie inspekcji lotniczych. Poza tym, spełniając powyższe wymagania, wykorzystanie BSP pozwala na wykonanie szerokiej gamy dodatkowych działań utrzymaniowych w obszarze lotniskowym w tym monitorowanie drogi startowej przed nieupoważnionym wtargnięciem, cykliczne obloty fotogrametryczne drogi startowej i monitorowania stanu nawierzchni czy monitorowania stanu budowli lotniskowych tj. terminala, hangarów.

Efektywne przeprowadzenie misji inspekcji wymaga odpowiedniego jej przygotowania, do czego konieczne jest opracowanie modelu infrastruktury lotniska oraz jego dokumentacji. Prawidłowe opracowanie modelu jest podstawowym uwarunkowaniem przekładającym się na minimalizację ryzyka wykonania niedokładnych pomiarów, a tym samym na powodzenie misji.

Podstawowe elementy, które składają się na opracowywany model to konfiguracja elementów infrastruktury lotniska oraz procedury wykonywania operacji na lotnisku, czyli:

• szerokość i długość drogi startowej podlegający inspekcji oraz koordynaty progu drogi startowej podlegającej inspekcji;
• kategoria świateł podejścia do lądowania oraz wszelkie odchylenia od przyjętego układu świateł;
• odległości między światłami (odległość między lampami w przypadku świateł na masztach);
• pozycji świateł względem progu oraz względem krawędzi (dotyczy świateł PAPI) drogi startowej podlegającej inspekcji;
• barwa oraz intensywność świecenia poszczególnych świateł oraz przyjęte ustawienie kątów świecenia lamp;
• rodzaj światła oraz sposób montażu (oprawa zagłębiona lub naziemna);
• liczba dostępnych lamp w systemie wzrokowych wskaźników ścieżki podejścia PAPI;
• przyjęty kąt nachylenia ścieżki podejścia do lądowania;
• wszelkie inne uwarunkowania i ograniczenia wynikające z indywidualnej charakterystyki pracy i środowiska lotniska np. strefy ograniczeń systemu ILS (ang. Instrument Landing System), nietypowe procedury wykonywania lotów, przesunięcia progu, modyfikacje budowlane czy infrastrukturalne, rozpoznane niesprawności infrastruktury świetlnej czy występowanie świateł zapasowych odbiegających od standardowej infrastruktury.

Kompleksowość tworzonej usługi wymaga, by tworzony model i jego dokumentacja uwzględniały  informacje dotyczące wzrokowych pomocy nawigacyjnych zgodnie z poniższą kategoryzacją:

• system świateł podejścia;
• światła krawędzi drogi startowej;
• światła progu drogi startowej;
• światła końca drogi startowej;
• światła linii środkowej drogi startowej;
• światła strefy przyziemienia (jeśli występuje);
• oś błyskowa (jeśli występuje);
• system wzrokowych wskaźników ścieżki podejścia (np. PAPI).

By uzyskać wiarygodne wyniki prowadzonej inspekcji należy wykonywać ją w odpowiednich warunkach atmosferycznych. Zakres temperaturowy dla wykonywanej operacji zależy w głównej mierze od parametrów pracy platformy wykorzystywanej do prowadzonej inspekcji. Istotna jest jednak prędkość wiatru (poniżej 10 m/s), podstawa chmur (80-150 AGL lub wyżej), czy widzialność (minimum 5000 m) oraz brak opadów. Przyjęto, że pomiary optymalnie powinny być wykonywane po zmierzchu. Przekroczenie dowolnego ze wskazanych wyżej warunków może wpłynąć na rezultat realizowanej misji, skutkując pozyskaniem materiałów o niskiej jakości lub zupełnym niewykonaniem zakładanych zadań.

Czas wykonania inspekcji świateł na drodze startowej i na jej przedłużeniu zależy w głównej mierze od dystansu jaki musi pokonać bezzałogowy statek powietrzny (BSP) w trakcie misji. Inspekcja składa się z dwóch oddzielnych misji. Jedna z nich dotyczy przelotu nad światłami podejścia kontynuując przez światła progu drogi startowej, wzdłuż drogi startowej, aż do świateł końca drogi startowej. Misja oblotu świateł odbywa się jednocześnie dla jednego lub dwóch kierunków drogi startowej. Wykonanie drugiego kierunku występuje natychmiast po przelocie nad światłami końca drogi startowej pierwszego kierunku.

Zakres przelotu obejmuje osiągnięcie przez BSP punktu na przedłużeniu drugiego kierunku drogi startowej, nawrót i wykonanie podobnego przelotu dla drugiego kierunku jaki został wykonany dla pierwszego kierunku. Druga misja obejmuje przelot w obszarze widzenia świateł PAPI oceniający ustawienie kątowe lamp oraz wskazywaną ścieżkę podejścia zgodnie z wytycznymi ICAO.

Sumaryczny czas trwania obu misji jest równoważny z czasem całej inspekcji. Niemniej jednak przy planowaniu misji należy wziąć pod uwagę inne uwarunkowania mające wpływ na czas wykonywanej misji, m. in. wysokość i prędkość przelotową, parametry kamery wykorzystywanej od inspekcji, przeszkody lotnicze, czy zakres inspekcji.

Inspekcja poprawności działania nawigacyjnych systemów świetlnych na lotniskach obejmuje ocenę ilościową w pełni funkcjonalnych lamp oraz stan działania systemu sterowania oświetleniem poprzez analizę zmiany intensywności świecenia lamp lotniskowych oraz ustawienie kątowe systemu wzrokowych wskaźników ścieżki podejścia. Rezultat dokonanej inspekcji jest weryfikowany przez przeszkolonego i certyfikowanego inspektora lotniczego, odpowiadającego za przeprowadzenie oceny zgromadzonych wyników.

Kryteria, wg których dokonywana jest ocena to:

• poprawność świecenia lampy – parametr oceniający czy lampa danej kategorii jest widoczna dla statku powietrznego będącego na ścieżce podejścia;
• zgodność barwy lampy - parametr oceniający czy barwa emitowana przez lampę jest zgodna względem oczekiwanej, charakterystycznej dla kategorii lampy,
• jednostajność zmian intensywności świecenia lamp – parametr oceniający czy jednostajna zmiana intensywności świecenia obszarów świateł zachodzi zgodnie z charakterystyką konfiguracji systemu sterowania oświetleniem na lotnisku
• zgodność ustawienia kątowego lamp – parametr oceniający zgodność ustawienia kątowego lamp wzrokowych wskaźników ścieżki podejścia względem wartości referencyjnych charakterystycznych dla obowiązującej ścieżki podejścia na lotnisku.

Ustalenie poprawności działania systemów nawigacyjnych systemów świetlnych polega na weryfikacji wykrytych niezgodności w raporcie z inspekcji lotniczej względem założeń obowiązujących w instrukcji operacyjnej lotniska, która jednoznacznie określa akceptowalny poziom niesprawnych lamp uniemożliwiający operacyjne funkcjonowanie lotniska.

Jakie są wymagania biznesowa stawiane przez potencjalnych klientów oferowanej usługi? Są to przede wszystkim:

• wysoka dostępność usługi - wykonywanie oblotów przy pomocy samolotu jest trudne logistycznie, planowanie jest skomplikowane i czasochłonne, a piloci mają ograniczone godziny pracy. Powyższe sprawia, że wykonanie inspekcji należy planować z wielodniowym wyprzedzeniem. W przypadku konieczności wykonania nieplanowanej kontroli, lotnisko jest zmuszone nierzadko do wielodniowego oczekiwania bez możliwości użytkowania infrastruktury.
• Duża dokładność wykonywanych pomiarów – inspekcje świateł polegają na wzrokowej ocenie stanu świateł, są subiektywną oceną inspektora. Często niewielkie odchylenia od normy nie zostają wykryte podczas inspekcji.
• Konkurencyjna cena – prowadzenie kontroli z powietrza wykonywane samolotem jest metodą drogą. Samolot musi przede wszystkim dolecieć do miejsca wykonywania kontroli, a następnie wrócić do bazy. Często są to setki kilometrów w jedną stronę. Lotnisko, które wykupuje usługę musi pokryć koszty przelotu. Dodatkowo sama usługa trwająca długo tj. pomiędzy 1,5h a 2,5h znacząco wpływa na jej duże koszty.

Inspekcje z powietrza prowadzone z wykorzystaniem bezzałogowego statku powietrznego we wszystkich powyższych kategoriach są korzystniejsze dla zarządzających lotniskiem, ale także dla innych użytkowników przestrzeni powietrznej. Z punktu widzenia zarządzającego lotniskiem należy zaznaczyć, że takie inspekcje są znacząco łatwiejsze do zaplanowania. W razie konieczności możliwe jest wykonanie inspekcji nawet tego samego dnia. Docelowo inspekcje będzie mógł przeprowadzić pracownik lotniska za pomocą platformy bezzałogowej należącej do lotniska. Nie można sobie wyobrazić większej dostępności. Obloty prowadzone w sposób automatyczny wykorzystują do analizy poprawności funkcjonowania świateł analizę obiektywną wykonywaną przez uprzednio sparametryzowany algorytm. Znacznie bardziej dokładną niż „na oko”.

Dodatkowo operacje wykonywane przez bezzałogowy statek powietrzny (BSP) nie wymagają ogromnych ilości paliwa lotniczego i wysoce wyspecjalizowanej obsady. Ponadto, rozwiązanie to niesie benefity dla pozostałych użytkowników przestrzeni powietrznej. Wykonanie inspekcji z zastosowaniem drona pozwoli na ograniczenie zamknięć lotnisk i przestrzeni powietrznej na czas prowadzonych pomiarów, co pozwoli na zminimalizowanie zakłóceń wykonywanych operacji lotniczych i zachowanie odpowiedniego przepływu ruchu lotniczego w tym rejonie.

W trakcie realizacji projektu weszły w życie przepisy pt. Łatwo Dostępne Przepisy dla Lotnisk (Rozporządzenie (UE) Nr 139/2014), które wprowadzają dla zarządzających lotniskami prowadzenie dodatkowych inspekcji z powietrza świateł dróg kołowania. Wstępne analizy pokazały, że możliwe jest zastosowanie algorytmów uzyskanych podczas realizacji projektu, również do tego celu, co jest dodatkową przewagą konkurencyjną w stosunku do usługi wykonywanej samolotem, dla której tego typu kontrola jest bardzo wymagająca szczególnie przy skomplikowanych lotniskach. Odpowiedzią na powyższe wymagania jest oferowana autorska usługa Airotec DeFI.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego inteligentny Rozwój 2014-2020. Projekt realizowany w ramach konkursu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju: 1/1.1.1/2020 – Szybka ścieżka.

Autor: dr Daria Żuchowska – Safety Officer Airotec

Artykuł sponsorowany