DME/DME及GNSS区域导航终端区程序设计指导材料

帅哥

1．介绍 1.1 概要 1.1.1 区域导航的(RNAV)的引进不仅为程序设计者在环境和经济上以及操作上带来了很大的弹性，并且也为飞行员和空中交通服务(ATS) 提供了更大的灵活性。 这主要通过以下来实现: a) 更加直接的航路。 b) 用户更喜欢的航迹。 c) 平行航路。 d) 减少的间隔。 1.1.2 RNAV 概念在哲学上代表一个基本的变化。通过使用各助航装置作为源数据，航空器从一个导航台飞到另一导航台,现在我们可以从航路上的不同助航装置获得数据。由最初的具体助航装置，譬如VOR/DME 到近来的DME/DME 和GNSS, RNAV 概念正在航行系统中广泛使用，该系统可使用多重导航数据的来源，在准确性，可用性，完整性以及可重复性方面准确定义的条件下运行。 1.1.3 大多数传统的程序设计过程不适用于RNAV。而且,现在航空器类型和RNAV系统的不同，以及不同空域和机场本身的问题，造成RNAV 容量不尽相同,也就意味着,不可能有简单的适合所有的RNAV 程序设计方法。的确，早期许多为终端区域设计RNAV程序的尝试很少取得成功。这是主要因为程序设计人员对RNAV过程本身、数据的在RNAV 系统的处理方式以及不同RNAV系统的能力缺乏正确的理解。结果, 一些程序和RNAV系统不相容，程序不能被编码; 一些程序由于RNAV系统的差异而导致航路不连续，并且一些复杂编制程序不能充分利用RNAV系统带来的好处。 1.1.4 本文的目的是解释RNAV的要求和能力，并提供一个比较正式的方法，用于以DME/DME 或GNSS 为输入源的RNAV 终端程序的设计。这将帮助程序设计师设计出有安全余度、可编码、可飞性、可反复使用, 简单而明确的RNAV 程序。 本方法的依据是一套最低标准，在某些区域，遇到特殊技术问题时可以适当修正。本文的目的，不是为了解决任何制度上、为有效RNAV的注明或操作上的问题。 1.1.5 本版本集中讨论DME/DME RNAV 和GNSS RNAV，主要根据是Doc 8168和最近ICAO关于 OCP（超障面）1的研讨。在这里对于VOR/DME RNAV的参考，仅仅是出于比较的目的。文件不考虑具体指明导航性能要求（RNP）RNAV的问题。这个课题会在以后的指导材料中单列。 1.2 RNAV

1.2.1 RNAV（区域导航）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，或在机载导航设备的工作能力范围之内，或二者的组合，沿任意期望的路径飞行。

2D RNAV 是对应RNAV水平导航能力；3D RNAV包括垂直导航能力，4D RNAV另外提供一个时间函数。 1.2.2 一架有RNAV 能力的航空器能够通过由助航装置得到的一个或者多个不同的输入来确定它的位置。例如VHF 全向信标(VOR), 测距仪(DME), Loran-c, 全球导航卫星系统(GNSS) 以及惯性导航系统(INS) 和惯性参考系统。 单传感器RNAV 系统只使用一源的导航数据, 譬如DME 站,而多传感器RNAV 系统则通过对一定数量的助航装置系统监测来确定最佳的导航数据源。 1.2.3 RNAV 系统访问一个复杂的导航数据库，该数据库包含计划前航路的各种细节, 航路经过哪些空域, 哪些助航装置为这空域服务（起飞机场、目的地机场和计划备降场）。系统在计划的路线上确认下个航路点, 选择最适当的助航装置确定航空器位置，通常系统将数据直接输入自动驾驶仪。

1 1997年3月及1998年11月的ocp工作小组会议讨论结果（OCP 11） 2 ICAO Doc 9573 区域导航（RNAV）运行手册第一版 3 多路传感器系统将不同传感器得到的数据整合过滤（称为Kalman过滤），再参考各种因素确定最佳位置数据值。在GNSS不可用，或者DME台数据更新不足时（比如，某些系统定期从DME/DME降级为VOR/DME再到IRS，或者从DME/DME降级到IRS再到VOR/DME），其他系统在降级为DME/DME，VOR/DME，或者IRS系统前应用Kalman过滤程序保留其中之一的单独传感器输入。 4 为简单起见，本文提及的RNAV系统也代指飞行管理系统（FMS）。FMS常被用于提供一定程度的导航控制，包括经纬度、高度指引、油量管理、航路计划等等。这些独立的功能可以独立输入，包括性能管理系统、油量管理系统、飞行管理控制系统、导航管理系统等等。在大多数情况下，RNAV系统可被认为是FMS导航管理系统的一部分。

1.2.4 如果RNAV 系统不结合自动驾驶仪，就有可能会飞偏RNAV航路。RNAV 系统输出被显示在飞行指示仪上，提供航迹, 高度和速度上的瞬间变化，如果出现路线偏差可以直接显示给飞行员以便及早做出反应。由于RNAV 程序与自动驾驶仪可能关联，也可能不关联，因此RNAV程序在设计时应考虑包括这两种情况。 1.2.5 国家的责任是保证有充足的助航装置可以提供和利用，以达到操作要求。这应该建立在程序设计阶段和检验阶段期间。任何一个对具体程序的操作至关重要的助航装置都必须公布在AIP中。ATS 提供者必须保证,在选定的RNAV 空域之内, 地面站的助航装置是可用的，并有足够的辅助导航台提供援助服务，以满足航空器在确定位置时保持“连续不间断、符合准确性要求”。 1.2.6 航空器操作员（营运人）要有相关执照、适航证书，并符合操作许可标准。特别是: a)航空器上的RNAV 设备应该必须维护一定水平的准确性, 一致性, 可及性和连续性。 b)机组成员必须在指定的RNAV 空域适当的进行一次训练飞行。 1.2.7 机长有责任保证航空器按规定的精度导航。特别是在执行GNSS 程序的地区飞行,机长应当确保当时GNSS的运行完整性、与计划的程序相关RAIM的可用性。 1.2.8很多国家开始引进RNAV航路的时候，还覆盖以传统航线，尤其是在终端区。这不但使运营人从他们在RNAV 设备的投资中获得收益而且没有打乱现有的飞行流。根据常规仪表程序的RNAV覆盖最好是一种临时方法，因为这样的程序不能够像正式RNAV程序那样增加灵活性和容量。如果现有空中交通主要是依靠雷达引导,那么，使用RNAV覆盖程序将可以大大简化程序，减少陆空通话，从而减轻管制员和飞行员的工作负荷。 1.3 早期的教训 1.3.1 RNAV 程序设计方法的一个重要原则是需要保持设计简单。为了减少误解和降低误差，复杂的解决方案很难被批准。设计人员应该努力开发最简单的程序, 将重点放在航路点到航路点的飞行。 1.3.2 其次,测试和确认程序在设计过程的每一步是同样非常重要的。一名特殊用户与设计师在设计过程中严密合作，可从运营人/操作者测试和检验模拟以及真实飞行方面获得数据资源，因而可获得更进一步的好处。 1.3.3 最后, RNAV 程序的设计必须考虑到预计使用它的航空器。不同型号的飞机不可能有同样性能特性,因此, 爬升/下降梯度和速度和转弯标准的选择可能适合某一航空器，但并不适合所有的航空器。程序设计人员还必须知道同样型号的飞机在不同的RNAV 系统可能产生非常不同的性能特性, 如果不正确地设计程序, 这可能导致在航空器飞行航迹上的重大差别。(由于这个原因, 设计师不可能在现有的程序上简单地覆盖RNAV航路并期待立即成功。) 2 包容区和超障余度 2.1 介绍 2.1.1 当设计程序时, 包容区和超障区域的大小和本质取决于以下两个主要因素: a) 导航系统的准确性。 b) 航空器是否有航迹引导。 2.2 准确性和航迹引导 2.2.1 RNAV系统的准确性被定义为总的系统容差，它表示的是航空器的真实位置和预计位置的差别。总系统容差是考虑飞行技术容差，飞机真实航迹和标称航迹之间的容差（注：解释有误，要参照图例Figure 1作进一步解释）。航迹引导通常由RNAV系统直接提供给自动驾驶仪或者通过飞行指引仪/航道偏离指示仪提供给飞行员。如果航空器在飞行中脱离RNAV系统，航空器的速度、航向或者高度的最新变化应该可以立即提供给飞行员，以便飞行员可以有充足的时间进行手动操作飞行，直到恢复自动驾驶。飞行技术错误(FTE) 被定义为飞行员或飞机电子设备沿着所选航道飞行的能力。 2.2.2 用于提供航迹引导的导航系统侧向准确性，按传统的方法被定义为交叉定位点之间的容差，它基于2σ(95.4%)信心极限、或者在某些区域（仪表进近/复飞）被加大到3σ(99.7%) 5 。它还可以被定义为一个包容值，即在某个飞行区间内至少有95%或99.7%的总飞行时间内，飞机位置都在预计位置的容差值范围内。超障余度包容值要求通常根据额外缓冲值增加的3σ值。 2.2.3 与固定障碍物或其他航空器相撞的风险取决于很多因素，包括交通密度，水平和垂直间隔，航空器的大小和性能以及与障碍物的接近率。包容区应满足规定的安全水平，因此，碰撞风险增加，包容区大小也随之增加。4444文件给出了航空器间隔标准，8168文件给出了超障余度标准。虽然这个文件只是说超障余度要求，但程序设计者必须要考虑ATS提供者的要求，尤其还要考虑航路间隔。6 2.3 DME/DME 包容区 2.3.1在VOR/DME RNAV程序中，导航精确性的定义是通过航迹容差得到的，一个是侧向航迹容差（XTT）,另一个是沿着用于飞行程序的导航台定位的各航路点飞行的航迹容差（ATT）。 详见文件8168卷II、 第III部分、章节31 。但是，对于DME/DME RNAV 系统，飞行员不可能随时知道机载设备正在使用的是哪些导航台。此外，RNAV系统能够使用的DME台数量和相对飞行方向的位置，都会影响到导航准确性。如果机载RNAV传感器可以接收到超过两个DME台，总系统容差就可降低。7 鉴于此，如果输入系统的DME台不超过2个，计算XTT和ATT数据时，DME容差要乘以一个系数：1.29。各国也可以选择应用1.29这个系数。 5 Doc 8168 Vol. II Part III Chapter 1 Paragraph 1.126 Annex 11, Attachment B, Paragraph 2.4 非平行的RNAV航路之间的间隔应该是能够提供至少99.5%不重叠的包容区。Doc 4444 Part III Chapter 7 Paragraph 7.1.1 考虑到导航误差，侧向间隔要加上一个规定的缓冲值。在特殊情况下，用于确定超障余度的主区域范围可以小于95%包容区限制。7有DME搜索功能的系统搜索所有DME台，选择最佳DME台提供给RNAV系统用于确定飞机位置。无搜索功能的系统，从导航数据库中选择两个最佳配对的DME台，如果没有就选择其他DME台来配对。 2.3.2 表1 总结了DME/DME程序的XTT、ATT与航路宽度（AW）的关系。XTT值代表2s包容区和3s包容区（2s乘以1.5的缓冲值，该缓冲值是为了定义保护区，另一方面也是为了提供可接受的运行风险值，也就是半区域宽度(½AW)；整个区域的内部50%作为主要区域，其余部分为次要区域）。 表1 -DME/DME RNAV中XTT, ATT, 主区&辅区宽度的计算 2.3.3 针对VOR/DME的XTT、ATT和AW的值在8168文件中的表III-31-1到III-31-4中有详细数据。另外还有DME/DME系统，对不同的飞行阶段给出两套XTT、ATT和½AW值。 a) 当有只二个DME 台可利用时。 b) 当有超过二个DME 台可利用时。 这些数据在8168文件附录10的表2和表3中。这两个表仅可用于DME/DME RNAV程序，绝不可以用于任何RNP-RNAV程序。 8 d = 1.23 ´ 飞机高度1/2´ 0.0125 + 0.25NM (高度单位 ft) = DME容差 - Doc 8168 Vol. II Pt III Paragraph 2.6.4.2{1.25%的最大信号距离加上0.25 NM. 信号的水平距离，理论上为1.23Öh NM (2.22Öh km).}使用2个以上DME台的程序，假设全部飞行时间内都有90°的交叉角。仅使用两个DME台的程序，最大DME容差须将‘d’乘以1.29的系数。(OCP/11-DP/2,起草的报告，议程2和3)ST = 系统计算的容差 = 0.25 NMFTT =飞行技术容差 = 2 NM (航路), 1 NM (起始和中间进近阶段) 和 0.5NM (离场，最后进近和复飞阶段) 2.3.4 程序设计师应该据最坏的助航设备的性能情况选择可供考虑的航路点。换句话说,是考虑在该范围内有多少DME台，以及在航路点上导航台的最低可用水平。对于相应阶段对应高度上的XTT、 ATT和½AW值，应该根据用于该航路点计算的所有包容区内。在距离起始进近定位点（IAWP）25海里以远的进场航路上使用航路数据。 2.4 基本GNSS包容区 2.4.1基本GNSS程序的总系统容差基于以下几点: a) 固有空间系统准确性 b) 机载接收系统准确性 c) 系统计算容差 d) 飞行技术容差 2.4.2虽然固有空间系统准确性的2s值可以被预设为±100米，基本GNSS定位点的准确性取决于使用过程中的系统完整性。系统完整性则取决于可用的卫星数量和它们相对接收者的方位。由于方位变化，执行终端程序时，基本GNSS接收者必须有一套完整性监测设备。当定位点的水平准确性不能确定在固定限制值以内时，该监测设备可以及时提醒飞行员。这些完整性警报极限值（IMAL）是大于3s RSS的值，该值与空间系统准确性、机载接收系统准确性及系统计算容差有关，一般小于02.NM。由此，OCP也确定IMAL可作为各飞行阶段导航系统的最坏情况的准确性值。下表4列出了IMAL的详细数据： 9 基本GNSS常被特指A类GNSS接收机，而B和C类GNSS设备通常被称为附加设备（ABAS）。本文中，这两种系统都叫基本GNSS，如果特指A类接收机会被高亮显示。 2.4.3 IMAL和CDI传感器的值取决于所处的飞行阶段（见表4和表5）。基本GNSS进场程序基于这样的假设：航路和终端程序的转换从进近ARP10算起的距离30NM处。从终端程序阶段转换到进近阶段的过程，称为“arming the approach”，在FAWP之前2NM开始11，复飞阶段则是从飞行员按下复飞开关，在复飞点开始执行。基本GNSS离场程序的设计基于如下假设：终端和航路阶段的转换从离场ARP算起的距离30NM处。 10 适当的飞行计划必须被加载。11 FAWP是有效航路点，飞机在最后进近航道上的70°范围内、QNH值已被输入且没有RAIM告警发生。 2.4.4 PANS-OPS基本GNSS标准已被用于设计A类机载GNSS RNAV系统，不过，功能有限。当机载系统被耦合到CDI上时，最坏FTT值会出现，且依赖CDI的灵敏度。基本GNSS接收器各飞行阶段的CDI偏差和FTT值在表5中给出: 12 通过比较传统VOR导航的一个5NM/1NM全比例CDI偏差得到的数值13 或称'Approach Mode'，不过，这比较容易跟'Arming the Approach'（FAWP2NM之前）混淆。因此，本文使用另一术语'Terminal Mode'。14 CDI FSD从FAWP开始减小2NM，这样FTT可以立即开始减小在FAWP达到0.3。15 与ILS比较——在ILS CRM中使用相同的FTT。 2.4.5 表6总结了基本GNSS程序的XTT、ATT和AW的属性；表7给出的是不同飞行阶段的XTT, ATT 和AW值的细节。这些表只用于基本GNSS RNAV程序，不可用于RNP-RNAV程序。 6 2x(IMAL+FTT)的值大于(3s+BV)的值，但主区的宽度至少是标称航迹两侧各(IMAL+FTT)，随之需要半区域宽度(½AW)的值为2*XTT.17 如果已加载适当的飞行计划，那么终端模式是自动加载的，当航空器在IAWP边飞行时（参阅章节10.3.1），全方位进场要求飞行员直飞IAWP，飞机到达距离ARP30NM时，终端模式必须被激活。18 参见章节3.4.19 这个值跟2*XTT公式计算得出的数据有偏差，这是基于FAA飞行试验得出的，包括：在FAWP的转弯、在到达FAWP前CDI敏感性变化而产生的2NM偏差。