浅谈基于性能导航

PerformanceBasedNavigation民航总局空管局黄卫芳一、绪言为进一步提供空域容量和运行效率，满足航空运输飞行量不断增长的需求，新航行技术一区域导航技术，正被日益广泛应用。从全球范围看，现行区域导航的技术标准并不统一，航空发达的欧洲和美国对区域导航的具体技术要求也存在差异。为统一认识并指导各缔约国实施新技术，国际民航组织(ICA0)拟于近期发布(基于性能导航手册》。我国对区域导航技术也有较深的认识，并正积极在终端区、航路运行阶段推广应用。二、背景介绍传统的航路是基于地面导航设施位置、逐个连接各导航点而成的，确保航空器能够依靠导航台的无线电信号向背台飞行。随着航空运输的持续发展，传统航路的局限性渐显严重。航空电子技术的不断发展使航空器机载设备不断更新，导航精度也不断提高，促使新一代导航技术的产生。这种导航技术不依赖于地基导航设备，可以使航空器在任意两点之间精确飞行，这就是区域导航的概念。应用区域导航技术，能够提高空域容量，减轻管制员和飞行员工作负荷，减少飞行延误，提高空域运行效率。早期的区域导航系统采用与传统的地基航路和程序相似的方式，通过分析和飞行测试确定所需的区域导航系统及性能。对于陆地区域导航运行，最初的系统采用V0R和DME来进行定位，对于洋区运行，则广泛采用惯性导航系统。在不断的实践中，这样的新技术已逐步通过了开发、评估和认证。基于此，国际民航组织在附件1l《空中交服务》和《航空器运行手册》（D0C8168）中提出了部分区域导航设计和应用的标准和建议。美国和欧洲等航空发达国家和地区已经积累了丰富的区域导航应用经验，但由于缺乏统一的标准和指导手册，各地区采用的区域导航命名规则、技术标准和运行要求并不一致，如美国RNAV类型分为A类和B类，欧洲RNAV类型分为P-RNAV和B-RNAV。国际民航组织ICAO拟于今年正式发布基于性能导航手册(PERFORMANCEBASEDNAVIGATIONMANUAL)，用以规范区域导航的命名、技术标准，并指导各国实施该新技术。(一)RNAV区域导航(RNAV)是一种导航方式，它可以使航空器在导航信号覆盖范围之内，或在机载自备导航设备的工作范围内，或二者的组合，沿任意期望的航迹飞行，即RNAV系统能够使用多种导航源信号来自动确定航空器位置，建立期望的飞行航迹并为航空器向下一航路点飞行提供航迹引导。与传统导航方式相比，RNAV系统不需要航空器沿无线电信号向北台飞行，能够充分利用机载设备的能力，提高运行安全和效益，具体表现为：航迹选择灵活、减轻管制员和飞行员工作负荷、增加空域容量、优化导航设施布局。如果结合数值小的RNP，更能极大地提高飞行轨迹的准确性，降低天气标准，保证飞行安全和运行正常。RNAV系统可以采用的导航源包括：惯导(INS／IRS)、VOR／DME、DME／DME、LORANC、GNSS(GPS)。(二)RNP所需导航性能(RNP)是对指定空域内运行所需要的导航性能精度的描述RNP类型)。RNP数值根据航空器至少有95％的飞行时间能够达到预计导航性能精度的数值来确定，与RNAV概念结合，能够提高导航精度和运行安全水平。RNP系统不仅对航空器机载导航设备有要求，对支持相应P&TP类型空域的导航设施的精度也有一定要求。RNP类型是用相应的精度值来表示的。航空器方面，精度值是受到导航源误差、机载接收误差、显示误差和侧向的飞行技术误差(FTE)等影响，在其95％的飞行时间内侧向和纵向总的系统误差(TSE)必须小于规定的RNP精度值。空域方面，指定空域为达到导航性能精度值就必须提供相应的导航设施。航空器导航精度不符合某空域RNP精度值要求时，通常不允许在空域内飞行。航空器和空域方面的要求具有相互独立性。导航性能精度比某一空域RNP值高的航空器不一定就能在该空域内运行。例如，航空器的导航性能精度是基于某些导航设施而言的，那么该航空器可能并不符合精度值相对较差的空域的要求，因为该空域可能不提供同样的导航设施。虽然RNP值本身不能作为确定间隔标准的基础，但空域规划人员可以使用RNP值帮助确定空域的使用规定、航路宽度和间隔要求。根据飞行地区的不同和飞行阶段的不同，RNP主要有以下几种类型：RNP0.1—0.3、RNP1／2、RNP4、RNP10，分别用于进近阶段、终端区飞行、陆地航路飞行和洋区飞行。(三)RNAV与RNP的区别RNAV和RNP系统关键的不同在于，RNP标准包含机载设备的监视和告警导航性能要求，而RNAV标准则不包括。20世纪90年代，大多RNAV系统都提供了机载监视和告警功能，促进了导航标准的发展，进而产生了RNP系统。RNP系统提高了运行的完整性，使航路间距和保护区缩小、空域资源得到进一步优化。传统航路、RNAV航路和RNP航路的区别见图1所示。从发展的角度来看，导航应用将由2D向3D／4D过渡，这就要求机载监视与告警性能必须在垂直导航方面加以完善。这两项功能可以保证机组图1传统航路、RNAV航路和RNP航路比较人员随时确定导航系统是否达到10-5的完整性。虽然目前很多RNAV系统不具备监视和告警功能，但同样实现了很高的精度并具备多种RNP系统功能因此，RNAV和RNP运行将会共存多年，最后都逐渐转换为RNP运行。RNAV标准和RNP标准都包含了对导航功能要求，这些功能要求包括：提供与航迹相关的飞机位置的连续指示、显示各航路点的距离和方位、显示过航路点的地速或时间、导航数据存储功能、提供包括导航设备在内的RNAV系统故障指示。3三、国外发展概况(一)美国情况美国FAA制定了《基于性能的导航发展路线图》，其目的是：确定美国向基于性能导航系统过渡的政策，为航空界的业务发展提供指南；改进美国国家空域系统设计和航空交通程序，减少空中交通延误，改善运行效率，提高安全水平；建立运行概念和目标，并确定实施步骤和时间表。FAA将发展路线分为三个阶段，具体为：近期(2006—2010年)，F从为所有飞行阶段提供RNAV和RNP程序，并继续制定有关运行标准和指南。该阶段，美国将在总结Q航路和T航路运行基础上降低T航路最低运行高度，制定RNP一2技术标准，并逐步将Q航路转变为RNP-2航路。期间，非区域导航航路将继续使用。中期(2011-2015年)，RNAV将成为美国国家空域系统中的主要导航方式，在FL290以上均使用RNP-2航路，进一步降低T航路最低高度，完成从陆基导航到基于性能导航系统的过渡，开始使用国家基准系统s)，以实现自由航路的理念。该阶段，FAA将逐步取消一些地面导航设施，重新设计有关航路和程序，修改调整间隔标准、扇区划设和终端区空域结构。远期(2016—2025年)，在FL290及以上均使用RNP航路，整个国家空域系统均采用区域导航方式。该阶段，空域将被重新设计，CNS／ATM技术将充分应用，自由航路越来越多，并引入新的自动化系统，从固定的航线转变为灵活的、用户可选择的自由航线。此外，在上述三个阶段中，美国对洋区、终端区和进近范围内基于性能的导航发展规划都做了详细描述。美国Q航路为高空区域导航航路，提供了灵活的飞行航迹，不受限于地基导航设备位置，为更有效的设计程序和使用空域提供了条件。第一条Q航路是建立在墨西哥湾，代替以前的传统航路，此后，Q航路就在美国西部、南部以及加拿大和美国之间的大湖地区实施。“Q”是美国用于指配这些区域导航航路的代号，按照有关导航规定，Q航路标准为RNAV-2。Q航路依据FAA8260.3((美国终端区仪表程序标准)的规定而划设，航路内相邻两点间的最小距离是12海里，最大距离是500海里，平行Q航路的中心线间的最小距离为8海里，与一般的航路相同。Q航路在运行过程中，必须采用雷达监控以确保有效的航路容差。Q航路可以采用GPS或DME／DME结合IRU进行导航。如果某条Q航路拟采用DME／DME运行，就必须进行地基DME设备性能的分析，如果DME信号不能覆盖整条航路，则航空器需要安装GPS导航设备。一般来说，航路交通管制中心(ARTCC)提出新辟航路的要求，包括Q航路，FAA负责划设、评估和飞行校验。目前，F从正在修改有关划设Q航路的规章。FAA的AC90-100中描述了Q航路运行要求，包括对航空器的机载设备要求和机组的训练要求。(二)欧洲情况1998年1月29日，欧洲率先实施了BASIC—RNAV(B—RNAV)(基础区域导航)，被认为是航路飞行阶段实施区域导航运行的第一步过渡。欧洲RNAV导航技术分为B—RNAV和P—RNAV，计划在2010年后发展为RNP方式。就侧向导航精度而言，B—RNAV相当于RNP5的精度，P—RNAV相当于RNPl的精度，但对于性能方面的要求，RNAV要比RNP的运行要求低。在欧洲空域内航路飞行阶段均要求航空器具备B—RNAV的能力，其具体要求为，在考虑各种飞行误差情况下，航空器95％的飞行时间内必须保持在标称航迹左右各9.3公里(5海里)范围内。2004年后，欧洲开始使用P-RNAV技术，应用于终端空域，使终端区设计得到优化，增强了飞行灵活性，提高了空域容量。P-RNAV航路的导航性能精度相当于RNP1，但不等同于RNP1，要求在考虑各种飞行误差情况下，航空器95％的飞行时间内必须保持在标称航迹左右各1.85公里(1海里)范围内。P-RNAV运行是使用DME／DME、VOR／DME、GNSS、INS／IRS等一种或几种组合的导航信息源确定航空器的位置，但不包括垂直导航功能。在欧洲的基于性能导航发展规划中，2010年后主要航路和所有的终端区必须实施区域导航运行，并向3D和4D的区域导航应用发展。(三)日本情况航路运行方面，日本1992年开始建立RNAV航路，于1998年在洋区实施了RNP10区域导航航路，目前共实施了60多条RNAV航路。飞行程序方面，1999年开始在东京机场实施区域导航进场程序，并逐步推广到其他5个主要机场。2005年日本制订了RNAV发展计划》，分为三个阶段，具体为：2007年年底前，完成相关准备工作，引入国际统一技术标准。2008年至2012年，实施RNAV5航路，同时研究实施RNP2航路并逐步推广到非雷达管制空域，实现大部分终端区内实施RNAV1飞行程序。20013年以后，在FL290以上全部实施RNP2航路，并在大中型机场实施RNP1飞行程序。四、基于性能导航基于性能导航(PBN)规定了区域导航系统内航空器沿ATS航路、仪表进近程序和空域飞行时的性能要求，是通过空域运行所需的精度、完整性、持续性、可用性和功能来确定的。PBN运行的两个基本要素是导航标准和支持系统运行的导航设施。导航标准是在已定义的空域概念下对航空器和机组人员提出的一系列要求，定义了区域导航系统所需要的性能及具体的功能要求。PBN的概念体现了导航方式从基于导航源到基于性能导航的转变，导航标准不仅定义了性能要求，同时也定义了导航源和设备的选择方式，能够对国家和运行者提供具体的实施指导。(一)PBN内容PBN是空域概念的要素之一，通信、ATS监视和ATM也是空域概念的基本要素(见图2)。PBN的概念依赖于区域导航(RNAV)系统的应用，有两个核心要素，导航设施和导航标准，在空域概念下将这两个要素应用到ATS航路和仪表飞行程序中又产生了另一个要素：导航应用。导航标准：国家一般将导航标准作为其适航和运行批准的基础。导航标准包括：RNAV系统在精确性、完整性、可用性和连续性方面要求。导航标准包括RNP标准和RNAV标准，但RNP标准包括完备的机载性能监视和告警要求，RNAV标准不包括此内容。目前RNAV和RNP标准的精度要求只是在横向和纵向两个维度上，不包括纵向的飞行技术容差FTE)。导航设施：导航设施指地基和星基导航设备。地基导航设施主要包括DME和VOR，星基导航设施主要指GNSS。导航应用：导航应用是导航标准和导航设施在ATS航路、仪表进近程序或根据空域概念定义的某一空域范围内的应用。RNAV标准支持RNAV应用，RNP标准支持RNP应用。如GNSS、DME／DME／IRU、DME／DME任意一种导航源都可满