区域导航航路和进离场程序设计分析与仿真

帅哥

区域导航航路和进离场程序设计分析与仿真

刘渡辉 帅 斌 王大海 苏 彬

1． 西南交通大学， 交通运输学院，成都，610031

2． 中国民航飞行学院， 飞行技术学院， 四川， 广汉，618307

摘 要：文章从区域导航的基本特点和设计标准出发，提出利用空地一体化的网络模拟飞行与管制环境进行仿真的新思路。通过大量统计数据分析区域导航程序在减少飞行误差、缩短飞行时间和距离、提高飞行安全性和经济性等方面的效果，作者提出了航路区域导航程序设计仿真的方法、思路，同时， 设计并分析成都飞丽江的区域导航航路。

中图分类号：V323 文章编号：A 文章编号：I672-4747(2006)03-01 23-05

Analyzing and S im ul ating of RNAV Route and SID STAR Procedure Design

LIU Du．hui ， SHUAI Bin WANG Da-hai SU Bin

1． College of Traffic and Transportation，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China

2． Col1ege of F1ight Technology， Civi1 Aviation F1ight University of China， Guanghan 618307， Sichuan， China

Abstract： This paper introduced the basic characteristics of RNAV and the procedure design criteria，then put forward a new Simulation method by Using LAN network environment with both pilots and ATCs．By Emphasized the effects in reducing flight error，decreasing flight time and distance， enhancing flight safety and economy function with statistical analysis，the authors introduced an enrooted RNAV procedure design simulating method， and its ideas，and designed a RNAV procedure for flying from Chendu airport to Lijiang airport with the method．

收稿日期：2006 03．31．

作者简介：刘渡辉(1975一)， 男， 汉族， 重庆合川人，民航飞行学院讲师，西南交通大学交通运输学院研究生

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0 引 言

区域导航是一种允许飞机在台基导航设备覆盖范围内或在自主导航设备能力限度内按任何希望的路径飞行的导航方法。利用区域导航易于建立临时的绕飞、偏航飞行和等待航线等。区域导航飞行程序的应用可以提高空域利用率、提高飞行效率、提高飞行安全水平，减轻飞行员和管制人员工作负荷。国际民航组织颁布了有关区域导航的技术指导文件，鼓励各成员国推动区域导航的应用与实施，它将是新航行系统中的关键部分。

1 区域导航进近程序设计基本标准 1.1 常规标准目前，世界各国已制定了区域导航进近程序设计标准，但也在不断的改进和增加新的标准。国际民航组织在其8l68文件《航行服务程序一航空器运行》中不断更新有关区域导航的规定，是区域导航程序设计的根本指导文件 。必备导航性能由一个精度数值表示，如“必备导航性能l”是指在95％ 的飞行时间内，在指定的飞行航迹上航空器必备的导航性能精度均须在l mile(1．852 km ) 以内。

1.2 适航标准要求区域导航适航和运行标准包含系统的功能、准确度、完整性、连续性以及使用限制在内的一般适航和运行要求。首先以空管部门为RNAV 安全运行提供的保障为前提条件，RNAV飞行程序应符合ICAO 8l68文件《航行服务程序一航空器运行》(PANS—OPS)的有关设计标准： 符合局方有关飞行程序设计的规范和标准：保证传统的垂直导航方法继续使用；支持飞行机组通过检查航图中所选航路点的定位数据(例如：到导航台的距离和方位)进行完整性检查。机载系统的准确度表现为轨迹保持准确度应在95％ 的飞行时间内等于或小于规定值。航迹保持的准确度取决于导航系统误差(航迹定义误差、位置估计误差和显示误差的组合)和飞行技术误差(FTE)。同时要求飞机仪表显示导航系统的准确度是否达到要求。机载系统的完整性表现为对于机载系统，同时向两名飞行员显示危险的错误导航或位置信息的可能性很小，并采用保守的安全裕度，能将风险控制在允许的限度内。机载系统的连续性表现为失去所有导航信息的可能性很小。失去所有导航和通信功能后不能恢复的可能性极小。当出现导航信息不可靠或低于要求时，应有较好的警告提示。

2 终端区典型阶段区域导航程序设计方法分析国际民航组织和每个国家在区域导航方面都有或都在逐步制定相关的系列规定。以美国联邦航空局为例，其进场和离场标准由指令8260.44民用区域导航离场程序 和7l00.9 标准终端进场程序规定。 8260.44标准中又分不同的级别：级别l(RNP 1.0)针对环境条件好或障碍物有保障时使用：级别2(RNP 2.0)为当前首选，级别3(RNP O.3)仅特殊授权(SAAAR) 时使用。区域导航进近程序根据制定者分类，一种是用户确定的专利标准程序，在满足或超出基本安全标准(如通告8000.287 RNP SAAAR)的同时，满足提议者的运行需要，运行需要支付昂贵的费用和特别的授权；另一种是公共标准程序。在8260号令系列内发布(如8260.5l为RNP仪表进近程序结构[3])，作为参考合并在l4CFR第97部内。

8260.5l规定保护区的主区为2×RNP(1.1km)，副区为l×RNP(0.56km)，合计宽度1.67km。如图l(A)所示保护区内最高障碍物为副区内一假设障碍物500ft(152m)，使用8260.5l标准，最低下降高为保护区内最高障碍物高度加250ft(126m)， 即为750ft(278m)。如果使用RNP SAAAR规定，RNP低于0_3且没有副区的标准，则如图l(B)所示保护区内最高障碍物为300 ft(91.5m)，最低下降高为550ft(168m)。如果使用转弯航段作曲线进近，则如图l(C) 所示保护区内最高障碍物为100ft(30.5m)，最低下降高为350ft(106.7m)。

3 区域导航模拟飞行仿真我们利用空地一体化的网络模拟飞行与管制环境建立了区域导航仿真平台，其基本平台是利用符合FAA(美国联邦航空局)AC61.126 标准，可以适用于仪表飞行经历训练的CATD(Personal computer-based aviation training device)，配合模拟飞行软件，通讯软件和模拟雷达管制软件，通过网络组成一个模拟真实飞行环境的平台。在这个平台上，设置了飞行人员和管制人员，他们都尽可能按真实飞行的要求和方法，根据自己所在终端的显示各司其职，完成飞行和管制指挥的工作[4]。在仿真成都飞丽江的区域导航程序中，飞行计划为起飞按崇州2号离场，过台后按设计的区域导航航路飞丽江机场。丽江机场使用传统的仪表进近方法。

区域导航航路不能完全按最短距离设计，必须满足导航、监视和通讯的要求，并且满足备降机场距离要求和单发飘降最低下降高的要求，在此基础上选择较短的路径。设计时首先按备降机场距离和导航台有效距离进行作图，确定航路的可能区域，然后，根据具体机型的飘降性能确定巡航高度并计算飘降高度，对比航路最低安全高度确定可能的飞行剖面。在满足适航要求的前提下，确定较短的路径，初步确定为目标航路。最后，利用设计好的仿真平台进行模拟飞行试验。从真实性来看，该网络模拟飞行环境达到了预期的要求，且仿真过程具有可重复性， 可操作性。

考虑实际飞行中遇到的特殊情况，如天气变化、设备故障等，然后按实际飞行中手册要求和管制指挥进行相应的处理。同时，分析座舱释压后在供氧规定时间内下到安全高度的问题和单发后飘降过程最低下降高度的问题。虽然，航路上有不少海拔较高的山，对单发飘降有一定影响，但由于在允许范围内，可以临时选择区域导航航路并有较传统航路更窄的可靠的保护区，因此，可以确保飘降过程避开障碍物，并安全地继续飞行。这一过程已通过模拟飞行仿真实现。通过选择了最不利的几个单发飘降点进行仿真(周围一定范围障碍物较多，不利飘降)，从仿真结果可以看出：只要选择合适的飞行高度，选择正确的飘降路线，就可以按要求安全正确地处置。同时， 利用现有的模拟飞行环境，验证飞行了KLAS 西边进近的传统程序和新的区域导航进近程序，并与国外实际飞行的雷达数据进行了对比，结果表明国外相关研究分析是比较有说服力的。

4 区域导航程序效果分析通过分析实施区域导航前后的飞行轨迹、速度、高度和陆空通话时间记录等可以比较飞行距离、时间等的变化以及对飞行安全性和经济性的影响。如果新程序飞行距离缩短，则由此引起的变化显而易见。下面以KLAS西边进近为例分析新程序飞行和原程序一样时的情况。通过数据，可以对比分析区域导航实旋效果，主要包括减少飞行时间和距离、增加航路时间的可预测性、飞机可以在尽可能长的时间内保持较高高度(降低油耗，提高经济性)、航路上更好的侧向一致性以及增加预达时间的可预测性等等。

4.1 数据分析结果飞机飞行高度的分析结果如表1所示，可以看出飞机在2004年比2000年飞的高度更高 其原因可能是区域导航使用预设的垂直航迹引导从而减少了雷达引导。因为飞机飞得高，空气阻力小，从而耗油少，提高了经济性。侧向航迹偏离的情况对比结果如表2，先过滤掉那些计划为区域导航， 但实际明显为雷达引导的数据，分析显示从2000年到2004年，在每个数据收集点偏离标称航迹的平均距离(u )都有所降低， 同时可以看到，从2000年到2004年，偏离标称航迹的标准差(cr)也都是降低的，所有结果在0.05的水平上是统计显著的。这些结果都表明使用区域导航后航迹偏差相对较小，飞机可以以更可预料和可重复的航迹飞行， 最终的好处是减少侧向间隔和使用更少的空域，也就显示了其显著的安全性。

4.2 通过仿真模型分析飞行时间与距离分析飞行时间与距离最好的方法是分析在同一航迹上运行区域导航和传统导航两种程序。但是，当区域导航程序与传统程序标称航迹不一致时，无法确定分析两者对飞行时间与距离的影响，只有通过建立仿真模型来分析。可在传统程序基础上假设标称航迹一致的区域导航程序，这样可以利用一部分雷达统计数据，从而提高仿真的可信度。利用终端区航迹生成评估和交通模拟(TARGETS：Terminal area route generation evaluation and traffic simulation)得到的基准线和仿真航迹。模拟中区域导航程序是畅通的，即尽可能飞一个有效率的剖面，只有为达到程序限制要求时才下降和减速，从而保证飞机尽可能飞得更高和更快。

从表3 的仿真结果可以看出两组数据中RNAV在飞行时间与距离上都相对较小， 且在95％的置信水平上是统计显著的。究其原因有两方面， 一是RNAV 的方向引导较少，而传统导航可能因为接收管制指令以及复诵的时间导致一个更长的航迹。另一个原因是飞行管理计算机(FMS)最优航迹设计允许飞机尽可能飞得更高和更快。 5 结束语区域导航是一个复杂的系统工程，要具体设计一个机场的程序， 需要借鉴国外的经验和已有的技术；需要试飞和不断改进。随着我国区域导航相关工作的逐渐展开，区域导航程序设计必然是首要的工作，迫切需要掌握关键技术、自主设计程序。要掌握关键技术，同时根据自身特点创新出更有效的方法。通过建立空地一体化的网络模拟飞行与管制环境的区域导航仿真平台，可促进区域导航程序的设计，降低设计成本，优化程序。

参考文献【l】国际民航组织．ICAO 8168文件《航行服务程序一航空器运行》[zJ]．国际民航组织， 1993．【2】 FAA．FAA order 8260-44 a civil utilization of area navigation(RNAV)departure procedures[JZ]．FAA，2000．【3】 FAA． ORDER 8260.5l required navigation performance (RNP)instrument approach procedure construction[Z]．FAA．2002．【4】刘渡辉．我国区域导航航路和进离场程序设计方法研究【D】．西南交通大学，2006．【5】 Kevin R． Sprong，Brennan M ．Haltli，James S．DeArm on， Suzan ne Bradley． Improving flighteficiency through term inal area rnav[C]． 6th Baltimore， M D ， USA ．June 2005一ATM Seminar 【6】 Klein Kathryn A．，Kevin R．Sprong，Thomas A．Becher， Jam es S．DeArm on．Evaluating operational benefits of term inal RNAV：LAS vegas case study[c]．23rd Digital Avionics System s Conference，Salt Lake City， Utah 2004．

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