郝亮 中國民航飛行學院綿陽分院飛行七大隊 621000

PBN飛行程序特點

郝亮 中國民航飛行學院綿陽分院飛行七大隊 621000

隨著國際航空事業(yè)的不斷發(fā)展，伴隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了諸多航行新技術。國際民航組織（ICAO）在整合區(qū)域導航（RNAV）和所需導航性能（RNP）運行概念的基礎上，定義了“基于性能的導航（PBN）”運行概念，并將PBN作為一項航行新技術，在全球全面推廣實施。PBN技術的實施，將使全球民用航空業(yè)進一步提高飛行安全、擴大機場和空域容量、提高運行效率、優(yōu)化航路和和空域結構、減少地面設施建設、節(jié)能減排等。PBN技術在我國的推廣應用，將涉及民航局、航空公司、空管部門、機場、監(jiān)管部門等多方及大量相關人員。PBN技術涵蓋了多個技術領域，其中最關鍵的技術領域，包括衛(wèi)星導航技術、航空器飛行運行管理和控制技術、PBN飛行程序設計技術、導航數(shù)據(jù)庫的建立和管理技術等。

基于性能的導航；程序設計；區(qū)域導航；所需導航性能

1 本文研究的目的和意義

近年來，ICAO在整合先前RNAV和RNP運行的基礎上，提出并建立了“基于性能的導航（PBN）”運行概念。PBN的實施，必將使民航航空在保證飛行運行安全、擴大系統(tǒng)容量、提高運行效率、提高機場和空域使用效率等方面具有明顯效果。

2 PBN技術及運行原理

PBN是ICAO在先期全球RNAV和RNP運行和相關標準的基礎上，經(jīng)過整合后提出的新的運行概念。要了解PBN技術及其程序設計原理，必須對PBN技術的原理、要求和法規(guī)進行深入的分析，同時需要對RNAV和RNP進行比較。

2.1 PBN概念

PBN即基于性能的導航，是在ICAO先期提出的新航行系統(tǒng)（CNS/ATM）這一空域概念的基礎上，將“導航”模式從基于導航源導航模式轉變?yōu)榛谛阅艿膶Ш健；谛阅艿膶Ш街械摹靶阅堋保饕笇Ш降木?、完好性、連續(xù)性、可用性和功能的要求。在RNP AR運行中，涉及航空器的飛行性能。

PBN運行需要三個基本要素來支持，即“導航應用”、“導航規(guī)范”和支持系統(tǒng)運行的“導航設施”。

2.2 PBN運行標準

PBN是國際民航組織整合全球RNAV和RNP運行及標準的基礎上后提出的新概念，因此PBN涵蓋了RNAV和RNP的所有技術標準，PBN運行包含RNAV和RNP運行。PBN運行最典型的特征是基于導航性能的運行，其航路結構、終端區(qū)程序和進近程序的結構和布局，都是基于航路點到航路點布局，與傳統(tǒng)方式有諸多不同，如圖1所示。但RNAV和RNP運行要求不相同，最為典型的區(qū)別在于，RNP運行時對機載系統(tǒng)有特殊要求，即機載系統(tǒng)一定要具備OPMA功能，而RNAV運行一般要求地面一定要有雷達監(jiān)視。

圖1 傳統(tǒng)導航和PBN導航區(qū)別

從圖1中可以看出，在傳統(tǒng)陸基導航運行時，航路保護區(qū)的寬度隨著航空器離導航臺的距離越遠，保護區(qū)寬要求越寬.

而在RNP和RNAV運行時，由于首選衛(wèi)星導航，衛(wèi)星導航誤差不隨位置的變化而變換，航空器從航路點到航路點飛行，因此航路兩側保護區(qū)寬度為平行區(qū)域。即使采用陸基導航（如VOR/DME或者DME/ DME），或者慣性導航（如IRS），在進行導航性能評估后，在PBN航路或者儀表飛行程序中飛行時，導航誤差也不會大于保護區(qū)寬度，因此航路兩側保護區(qū)為平行線。

2.2.1 RNAV概念及運行特點

RNAV（Area Navigation）既是一種導航方式，也是一種運行方式。RNAV是只在陸基導航設施（如VOR、DME）信號覆蓋范圍內(nèi)，或者機載自主導航系統(tǒng)能力范圍內(nèi)（如INS/IRS）、或者星基導航系統(tǒng)（如GNSS）作用區(qū)域內(nèi)，機載區(qū)域導航計算機或者區(qū)域導航系統(tǒng)（如飛行管理系統(tǒng)（FMS））計算航空器的位置，并引導航空器脫離導航臺約束沿任意期望航路飛行。沿期望航路飛行，航路結構為經(jīng)緯度坐標點而非導航臺（航路點也可以是陸基導航臺）。

RNAV運行的最大優(yōu)勢，就是航路結構更為自由，可以用于障礙物避讓、專用空域避讓或者人口稠密區(qū)避讓。同時RNAV航路的水平保護區(qū)縮小了，可以使空域利用率更高。靈活的航路結構，同時也可以分流傳統(tǒng)運行時空域內(nèi)高流量節(jié)點的流量，改善終端區(qū)進離場程序的結構和布局，提高機場終端區(qū)流量。

事實上，目前主流大中型民用航空器（如波音、空客飛機）上，VOR/DME、DME/DME、INS/IRS、GNSS等均作為FMS的導航傳感器使用，F(xiàn)MS對航空器進行管理和控制的飛行管理（FM）位置，由飛行管理計算機（FMC）計算獲得。其中，F(xiàn)MC主要參考INS/IRS的位置。由于INS/IRS存在位置飄移，所以INS/IRS在飛

行前需要進行校正，在飛行過程中需要使用GNSS、VOR/DME、DME/DME定位信息進行位置更新，以便使FMC獲得準確的FM位置。

值得注意的是，在RNAV5、RNAV2和RNAV1運行時，通常需要在地面監(jiān)視下運行，比如二次監(jiān)視雷達（SSR）監(jiān)視。對于RNA9V1運行，在經(jīng)過飛行運行安全評估（FOSA）后，如果終端區(qū)沒有SSR也可以運行。

2.2.2 RNP概念及運行

RNP概念是1991、1992年間由ICAO新航行系統(tǒng)（FANS）委員會提出，1994年ICAO在正式頒布的《RNP手冊》（Doc 9613-AN/937）（第二版）中定義RNP為：飛機在一個確定的航路、空域或區(qū)域內(nèi)運行時，所需的導航性能精度。RNP是在新通信、導航和監(jiān)視（CNS）技術開發(fā)應用條件下產(chǎn)生的新概念。在實際應用中，RNP概念，既對空域提出要求，也對機載設備提出要求。

對特定空域和航路而言，RNP運行要求航空器的導航性能必須符合導航規(guī)范的要求，這些要求中最為重要的三個因素是導航精度、完好性和航空器機載系統(tǒng)功能。

RNP導航規(guī)范，包括RNP10（即RANV10）、RNP4、RNP2（目前標準正在制定中）、B-RNP1、A-RNP1（目前標準正在制定）、RNP APCH、RNP AR共7種。其中RNP10、RNP4主要用于海洋及邊遠航路，RNP2可用于大陸航路，B-RNP1、A-RNP1主要用于終端區(qū)進離場，RNP APCH和RNP AR用于進近。

值得注意的是，RNP運行仍然是區(qū)域導航運行，RNP航路結構仍然是從航路點到航路點，RNP飛行運行仍然是由區(qū)域導航系統(tǒng)（如FMS）來完成的。

3 PBN程序特點

由于當前全球廣泛使用高精度衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可以大大縮小儀表飛行程序的保護區(qū)寬度，因此包括RNAV進離場程序、RNP進近程序在內(nèi)的PBN程序，是在基于導航性能的理念下推出的一種全新保護區(qū)更小、航路點和程序構型更為靈活、適用性更強的一種飛行程序。

3.1 RNAV程序及要求

在《PBN手冊》中規(guī)定，RNAV儀表飛行程序，只適用于進離場階段，不能用于進近階段，進近程序只能使用RNP程序。適用于終端區(qū)運行的RNAV導航規(guī)范，包括RNAV1和RNAV2導航規(guī)范，目前中國民航只使用RNAV1導航規(guī)范作為進離場導航規(guī)范。

能夠支持終端區(qū)進離場程序的導航源，可以選擇DME/DME和 GNSS。如果選擇RNAV1作為導航規(guī)范，機場終端必須具備雷達監(jiān)視運行能力，或者通過飛行運行安全評估（FOSA）后，也不可不需要雷達監(jiān)視運行。區(qū)域導航運行，必須要依賴導航數(shù)據(jù)庫，因此所有程序必須根據(jù)ARINC-424規(guī)范進行導航數(shù)據(jù)庫編碼，并在飛行前將正確的導航數(shù)據(jù)庫載入航空器。

3.1.1 定位點

根據(jù)《國際民用航空公約》附件15規(guī)定，RNAV程序的每個定位點稱為航路點，用經(jīng)緯度坐標來表示。定位點當然也可以是一個導航臺，也可以是一些地面標志點，比如跑道入口等。

符合要求的起始或中間定位點，沿航跡容差（ATT）不應大于±3.7KM（±2.0NM）。最后進近定位點、梯級下降定位點或復飛定位點的要求，定位點的沿航跡容差不應大于±3.7KM（±2.0NM）。但是沿航跡容差也可以增加到不超過最后航段長度的25%。

梯級下降定位點（SDF）是在一個航段內(nèi)已確認安全飛越控制障礙物后、允許再下降的定位點。SDF一般設置在障礙物復雜區(qū)域，如果有需要在最后進近航段只宜規(guī)定一個梯級下降定位點。如果有非雷達引導或DME臺提供定位服務，則可最多規(guī)定兩個梯級下降定位點，并且梯級下降定位點應滿足在航段相應的定位點要求。

3.2 離場程序

RNAV離場程序，只限主區(qū)總寬度等于第一個航路點處的保護區(qū)半寬的程序有副區(qū)。連接有關定位點處的不同保護區(qū)寬度，基于DME/DME或GNSS的RNAV保護區(qū)總寬度。對于基于RNP的RNAV，公布的RNP值根據(jù)程序的位置減小時，從起點RNP值至終點RNP值，保護區(qū)總寬度在中心線兩側按照30°收斂角減小。

3.2.1 直線離場

初始離場航跡與跑道走向夾角小于15°，由位于跑道起飛末端（DER）后面的第一個航路點確定。

初始離場的保護區(qū)寬度，適用ICAO DOC 8168一般準則，直至擴展邊界與假想?yún)^(qū)外邊界相交，隨后保持假想?yún)^(qū)寬度至離場程序第一個航路點。假想?yún)^(qū)從DER開始延伸至第一個航路點，其在DER和第一個航路點的保護區(qū)半寬隨導航源類型不同而不同。

3.2.2 轉彎離場

可以規(guī)定四種轉彎：在“旁切”航路點轉彎；在“飛越”航路點轉彎（相應于指定TP轉彎）；在一個高度轉彎（對RNP程序無效）；固定半徑轉彎（只用于RNP程序）。只要超障余度和其他考慮因素允許，應使用“旁切”航路點轉彎。

避免使用在一個高度轉彎，防止轉彎后航跡過于分散。為使航空器正確實施轉彎，每一個規(guī)定的轉彎最小為5°，最大不應大于120°。但120°不適合于在一個高度或在指定TP自由折返至航路點的轉彎。假定導航設備有預計轉彎能力，不需考慮建立坡度時間，只需考慮3s駕駛員反應時間。

3.3 進場和進近程序

傳統(tǒng)儀表進近程序，從IAF開始到結束復飛航段之間的航路點一般不應超過九個。但事實上，在我國西部高原復雜地形機場，RNP AR進近程序所布局的航路點，遠遠多于九個，最多的機場是西藏林芝機場，達到108個航路點。

3.3.1 進場航線

基本GNSS保護區(qū)寬度確定：在以機場基準點（ARP）為圓心56KM（30NM）為半徑的弧與標稱航跡的交點，保護區(qū)寬度從垂直于該點的位置以30°收斂角從中心線兩側縮小，在距ARP56KM（30NM）之外使用航路寬度。

RNP保護區(qū)寬度的確定：直到IAF前46KM（25NM），應使用航路保護區(qū)半寬；距IAF46KM（25NM）及以內(nèi)，應使用起始進近保護區(qū)半寬。保護區(qū)寬度在中心線兩側從“航路”RNP值以30°收斂角減小到“起始進近”RNP值。

3.3.2 起始進近航段

起始進近航跡與另一條起始進近航跡或中間進近航跡的交角不應大于120°。對于基本GNSS，起始進近航段最佳長度為9KM（5NM），H類為6KM（3NM），起始與進場航段的最短長度為11.1KM（6.0NM）。

中間進近航段應與最后進近航段對正，如果必須在FAF處轉彎， DME/DME引導時航跡夾角不能大于45°；基本GNSS不能大于30°；RNP不能大于30°，H類（直升機）為60°。中間進近航段由中間進近航路點的轉彎部分和以最后進近航路點為末端的直線部分，直線部分的長度不應小于3.70KM（2.00NM），轉彎部分的長度為在IF的轉彎角度對應的最短穩(wěn)定距離。

3.3.3 復飛航段終點

復飛航段終點的MAHF不應早于以各航段規(guī)定梯度爬升的航空器到達相應的航路最低高度或等待最低高度的位置。

3.3.4 非精密進近程序

MAPt為飛越航路點，最早的復飛點由MAPt處的ATT值確定。保護區(qū)從MAPt在復飛航跡兩側擴張15°，直至達到保護區(qū)在最早的MATF處的寬度，如果MATF靠近MAPt，應增大擴張角，保證保護區(qū)在最早的MATF達到保護區(qū)的總寬度；如果轉彎點保護區(qū)總寬度等于或小于最早的MAPt的保護區(qū)寬度，則在復飛航跡兩側進行15°的擴張，直到SOC，連接在SOC和最早MAPt、最晚MATF的保護區(qū)寬度。

基本GNSS復飛保護區(qū)應從最后進近保護區(qū)在MAPt縱向容差最早點的寬度開始，由26于GNSS接收機顯示靈敏度從0.6KM（0.3NM）開始下降，在MAPt固定容差區(qū)最早點之后，保護區(qū)在復飛航跡兩側從±1.85KM（±1.00NM）以15°擴張至±9.26KM（±5.00NM）。

3.3.5 APV或氣壓垂直導航

精密進近程序（APV）可以采用兩種方式提供最后進近垂直引導，一種方式是基于SBAS提供的高程信息，另一種方式是利用氣壓高度表提供高程信息。中國民航所有機場，如果實施APV進近，均采用氣壓垂直導航（Baro-VNAV）。中國民航所有RNP APCH和RNP AR進近程序，均是使用Baro-VNAV的APV類精密進近程序。

Baro-VNAV是一種導航方式，利用規(guī)定的垂直徑角（VPA通常3°）計算出的垂直引導信息，提供給自動駕駛儀或者飛行員。區(qū)域導航計算機或者FMC求得的垂直引導基于氣壓高度，由從跑道入口參考點處得RCH開始至最后進近定位點（FAF）的垂直航徑角來確定。

APV程序使用DA/H而不是MDA/H，使用類似于ILS的障礙物評估面，但其所基于的是特定的水平引導系統(tǒng)。Baro-VNAV是一種垂直導航（VNAV）模式，程序必須耦合水平導航（LNAV）模式。

設計Baro-VNAV程序包括三步：確定垂直下滑角（VPA）和最后進近面（FAS）；建立APV-OAS；根據(jù)穿透APV-OAS的障礙物計算OCA/H。

如果有穿透目視保護面的的障礙物，則不公布Baro-VNAV程序。航空器必須具有進近運行資格的VNAV系統(tǒng)，能夠及時切換到確定的復飛航跡引導，并具有LNAV系統(tǒng)，具有合格的總系統(tǒng)誤差（TSE）控制能力。

（1）APV航段

Baro-VNAV程序的APV航段與跑道中線延長線對正，包括著陸的最后下降航段和復飛的起始、中間和最后航段。

APV－OAS的起點為最后進近點（FAP），位于垂直航徑與此前航段的最低規(guī)定高相交的位置。FAP在入口前不超過19KM（10NM）。APV OAS的終點為MAHF和MATF中的最早者。LNAV的FAF和MAPt主要用于確定保護區(qū)和面的幾何結構，程序設計完成后，相關LNAV程序的FAF和MAPt只用于數(shù)據(jù)庫編碼。

OAS面由FAS、水平面、中間和最后復飛面組成。FAS從入口高度開始，在入口之前垂直航徑的高達到入口以上進近超障余度（MOCapp）的位置再平移556m（ATT）的縱向距離為起點，按照規(guī)定角度延伸到標稱FAP +ATT。

最后復飛面是從能獲得并保持50mMOC的第一個點開始，以入口平面距入口Xzf處為起點至APV航段終點結束的一個面，標稱梯度為2.5%。

（2）根據(jù)進近和復飛障礙物確定OCH

用最高進近障礙物的高加appMOC，確定最后進近、起始和中間復飛航段的OCH。重新計算穿透最后復飛面的障礙物的當量進近障礙物高，并確定這些障礙物的OCH。如果這個OCH高于此前計算得到的OCH，則調(diào)整轉彎或等待定位點的位置，或者將OCH增加到最新計算得到的值。

基于氣壓輔助垂直導航的PBN程序（Baro-VNAV APV），最大的缺點是進近下滑道隨溫度變化而變化。可以這么說，如果每次進近的溫度不同，在同一機場同一RNP進近程序進近，即使PFD上的航向道和下滑道都居中立位，但實際下滑道都不同，可能看到的PAPI燈光也不相同。為了克服這一問題，在所有基于氣壓高度輔助的RNP進近圖上，均要限制運行溫度，尤其是低溫的限制。

鑒于PBN技術目前仍然是一項正在發(fā)展并有待完善的航行新技術，同時本人水平有限，在論文中難免有不正之處或者有待改進的地方，請專家和讀者批評指正，本人將虛心接受并加以改正。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.019