浅谈基于性能导航(P B N)

帅哥

Performance Based Navigation

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》（D0C 8168）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(PERFORMANCE BASED NAVIGATION MANUAL)，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、LORAN C、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。

帅哥

1．东部地区新辟繁忙航路的区域导航平行航路。京沪、京广和东南沿海往返上海方向的航路日趋饱和，飞行矛盾和航班延误严重，应有计划的新辟RNP2平行航路，与现有ATS航路互为补充，提高空域容量，缓解飞行矛盾。 2．西部地区典型机场实施区域导航飞行程序。我国西部地区部分机场地势高、地形复杂、天气情况差，复杂程度全球罕见，实施区域导航飞行程序是保证这些机场安全运行的有效手段。我们已在积极进行拉萨和林芝机场的区域导航飞行程序设计和实施工作， 旨在解决这两个机场由于地理位置差、环境恶劣，无法实施传统飞行的问题。 3．繁忙终端区引入区域导航手段。随着我国各主要机场运行流量的日益增长，终端区运行效率急需进一步提高，采用区域导航技术就是重要手段之一。今年，广州机场已顺利实施了RNAV1区域导航飞行程序，在总结成功经验的基础上，我们将继续在上海、深圳、武汉、沈阳、成都、西安、乌鲁木齐等繁忙机场实施RNAV1飞行程序。目前，珠三角地区机场分布密集、间距小，运行标准和程序不一，实施区域导航飞行程序并配合雷达管制，能够有效解决该地区空域使用矛盾、统一标准和程序，提高运行效率。

帅哥

2003年1O月，鉴于拉萨机场周围高山林立，障碍物和天气情况复杂，我国民航启动了拉萨区域导航飞行程序项目，采用RNP0．3的标准设计进近程序。据估计，国内现有机队90％具备RNAV能力，60％能够满足RNP要求，并且，民航实施WGS一84已获国家相关部门批准，拟于近期正式启用，解决了PBN技术应用和推广的坐标系问题。因此，我国已具备了系统、广泛开展PBN技术应用的条件，为适应国际新技术应用和发展的需要，有必要制订符合我国民航实际的PBN发展计划，明确我国飞行程序和航路飞行以区域导航为方向，由航路、终端区、进近逐步推进，并采取实验、试验、推广的步骤稳步实施。我国东西部空域系统具有明显不同特点，东部地区交通流量大、空域拥挤、导航设施条件好、雷达实现多重覆盖，西部地区地形复杂、地理条件差，导航和雷达信号覆盖不完全。鉴于此，近期PBN实施的重点应遵循如下原则：

帅哥

六、我国PBN发展状况 1998年，我国民航在国际民航组织新航行系统发展规划指导下，抓住西部地区开辟欧亚新航路的战略机遇，启动了第一条区域导航航路(L888航路)建设，并于2001年1月正式投入运行，产生了巨大经济效益和社会效益，受到了国际组织的高度评价。同年，我国引入国际民航组织统一标准，在三亚地区实施了RNP10航路。近年来，我国民航更是加快了区域导航技术研究和应用的步伐：在西部地区新辟了基于RNP4的Yl、Y2、Y3航路，与L888航路互为补充，优化了西部地区航路结构；为缓解现行京沪、京广航路拥挤问题，实施京沪、京广RNP2平行航路的研究工作正在积极进行中。区域导航飞行程序应用也获得快速发展。2003年2月试飞了天津机场区域导航进离场飞行程序，并于2004年2月正式生效；2003年7月首都机场区域导航飞行程序也进行了试飞。

帅哥

对于设计者来说最大的变化就是，设计时不用依赖于导航源，而只考虑导航标准。当然，正确选择导航标准应基于空域要求、可用的导航设施、机载设备和航空器运行能力。例如，如果某空域内要求RNAV—l或RNAV一2标准，则可用的导航设施必须是基础的GNSS或DME／DME，航空器必须要用这两种的一种导航源运行。然而，PBN程序设计标准出台前，必须要先有基础GNSS和DME／DME应用标准。如果航空器和营运人都合格，PBN程序设计可以更好的确保飞行轨迹可靠、持续、可预测。设计程序时，不管是什么导航设施，都采用统一的设计准则来设计航路点和路线，只需要根据超障和间隔标准的不同而进行适当调整。

帅哥

3．RNP程序设计(先期PBN) PANS-0PS (D0C 8168)中介绍的RNP程序就是现在PBN概念的先期设计，但由于缺乏导航性能和运行要求的描述，并未体现出RNAV和RNP程序的区别。并且传统飞行中的飞越程序、飞行轨迹可变性以及附加的缓冲空域要求都使得RNP程序体现不出优势来。因此，对于用户来说，有效性和可用性较差。 4．PBN程序设计采用PBN技术，区域导航就是一种基于性能的运行，航空器导航性能特点都规定得很清楚，也解决了最初RNAV和RNP标准问题。基于性能的描述着重说明了不同类型航空器需要不同的飞行剖面，这样才能确保飞行轨迹的持续性、可靠性和预测性，并能减小超障评估区域。图5、图6是RNP进近程序(RNP APPROACH，RNP APCH)示意图和RNP授权所需进近程序(RNP AUTHORIZATION REQUIRED APPROACH， RNP AR APCH)示意图。

帅哥

2．RNAV程序设计 RNAV程序最大的一个突破就是采用名称、经度、纬度定义航路点。RNAV航路点使设计航路依赖导航设施位置的程度降低，能更好的满足空域设计需求。RNAV程序设计的灵活性随着导航设施的不同而不同，例如DME／VOR或者GNSS。非RNAV程序是基于航向、时间或DME弧的，相比较而言，RNAV程序能够在导航数据库中存储飞行路径，有助于减少飞行员的工作负荷并实现连续飞行。因为RNAV导航是用航空器导航数据库实现的，对设计者来说较大的变化就是提高了设计过程中的质量保证要求。RNAV也还有很多需要考虑的问题。例如，航空器的飞行性能和飞行路径差别很大，并且无法预测导航计算机的各种运行情况，导致了保护区不能进一步缩小。在RNAV运行发展的同时，航空器RNAV设备、功能和系统配置由简单逐渐演变到复杂。在飞行程序设计中，没有一个统一的指导手册指导设计者某类航空器应采用何种标准。有些RNAV程序就是从ATC指令派生出来的，模仿了ATC指令，但也导致了描述航空器飞行轨迹多种不同方式。并且航空器飞行性能和导航技术的不同导致了很多不同的程序，每种程序都要求不同的设备配置，给航空公司造成了不必要的花费。

帅哥

1．非RNAV——传统程序设计传统程序设计中，航空器导航是基于地面无线电导航设施的信号向背台飞行的。这种导航方式的最大缺点就是飞行路线受地面导航源位置的限制，常常导致飞行路线增长，如果要优化飞行程序，又会受到地基无线电导航设备安装位置和成本限制。并且保护区相对较大，导航系统误差会随着航空器距离导航设施的增大而增大。

帅哥

(三)PBN飞行程序设计仪表飞行程序设计主要设计航路、进场、起飞和进近程序的结构，考虑超障要求而确定一系列机动飞行轨迹。每个国家都必须确保相应的航空器能够安全的使用其对外公布的飞行程序。要实现安全运行，不仅要采用PANS-0PS中的技术标准和相关的ICAO规定，也要确保这些标准的实施过程和方法是高效、规范的，这可以通过制定规章、交通监控、地面校验和飞行校验等方法来实现。采用这些方法适时进行评估、论证、协调和校验，可以确保设计出来的飞行程序安全、有效，且在飞行程序设计过程中可以尽早的发现并修改错误。

帅哥

如果航空器安全间隔和航路间隔是通过传统的基于导航源的方式来确定，则用于确定安全间隔和航路间隔的导航性能数据就依赖于来自导航设施初始数据的精确度。相比之下，PBN可以使RNAV系统集成所有能接收到的导航数据来提供位置和导航信息，因此，PBN条件下确定安全间隔和航路间隔，就使用了这种集成的导航性能数据。 RNAV系统所需的导航性能是导航标准的一部分。为了确定安全间隔和航路间隔，空域规划者会充分挖掘导航标准中的这部分内容。空域规划人员不会忽略导航标准的作用，只会最大程度的利用所需的性能，即准确性、完好性、可用性和连续性，以确定航路间隔和最小安全间隔。前文提及，RNAV标准和RNP标准，最本质的区别就是RNP需要有机载性能监视和告警功能。因此可以推断，采用RNP1标准的最小安全间隔和航路间隔会比采用RNAV1标准的小。在空域运行中，采用RNP标准比采用RNAV标准更有益处，因为，机载性能监视和告警功能可以提供消除风险的补充手段，弥补ATS监视服务的不足之处，减轻管制员的工作负荷。