基于性能的導航（PBN）對我國民航進近方式發展影響的研究＊

黃 晉 高浩然 戴巨星

（中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院1） 廣漢 618307）（民航新疆空中交通管理局2） 烏魯木齊 830063）

1 基于性能導航（PBN）的概念

基于性能的導航（PBN）是國際民航組織（ICAO）在整合世界各國區域導航（RNAV）和所需導航性能RNP運行實踐和技術標準的基礎上，提出的一種新型運行概念.它是世界民航CNS／AT M系統建設的重要組成部分，目前ICAO發布的PBN 手冊 （Doc.9613），定義了PBN的相關概念和運行規范.

基于性能導航概念包含了3個基本的因素［1］：導航規范、基礎設施和導航應用，如圖1所示.導航規范詳細描述了沿著特定區域導航所需的性能要求，是民航當局適航和運行批準的基礎.基礎設施是用于支持每種導航規范的導航基礎設施（如星基系統或陸基導航臺）.導航應用是將導航規范和導航設施結合起來，在航路、終端區、進近或運行區域的實際應用，包括RNAV／RNP航路、標準儀表進離場程序、進近程序等.

圖1 基于性能導航概念的3個基本因素

根據PBN手冊中的分類，PBN導航主要分為RNAV和RNP兩類，其中RNP被定義為在運行中不要求具備機載監視和告警功能，RNAV則不要求具備該能力如圖2所示.

圖2 PBN的分類及導航應用

根據我國的特點，RNAV規范將主要應用航路和終端區［2－3］，其中在航路上計劃使用 RNAV2規范，在終端區計劃強制使用RNAV1規范，這2種導航規范的導航設施可以是GNSS，DME／DME，DME／DME／IRU.RNP規范則既可以用于航路和終端區，也更主要用于進近.其中海洋和偏遠地區使用RNP4規范，我國L888航路就屬于RNP4；基本RNP1適用于航路和終端區，該導航規范主要用于低到中等交通密度且無雷達覆蓋區域的建立航路和終端區程序；進近序則主要使用RNP APCH和RNP AR APCH導航規范.目前支持各類RNP導航規范的導航設施主要是衛星導航系統（GNSS），RNP導航規范中要求的機載監視與告警功能主要由GNSS的接收機中的完整性監視（RAI M）功能來提供保障.

2 PBN進近程序的運行要求

適合我國發展使用的PBN進近程序主要包括：作為通用程序的RNP APCH程序和作為需要針對公司、特定機型及機組進行特別授權的RNP AR APCH專用程序.這2種程序都屬于RNP導航規范，需要具備導航監視和告警功能機載設備.

目前能提供這種告警的機載設備中主要是指GNSS接收機的RAI M告警，它可以利用機載GPS信息和其他傳感器信息，提供導航完整性監視告警，保障導航精度滿足所需導航性能的要求.如今具備這種功能的GNSS接收機已經廣泛使用在各型飛機上，這些接收機能滿足TSO－C129，或TSO－C145／146的標準要求.

但是由于導航衛星星歷變化等原因，也可能會存在一些GNSS接收機在短時間內不能準確提供RAI M告警的情況.因此在實施RNP運行時，空管部門通常會提供的RAI M 失效預測信息，有的機載接收機也能通過特定的軟件來提供這種RAI M失效預測，該類預測見圖3.如果預測到計劃飛行的任何階段失去RAI M持續超過5 min，則此飛行應推遲或取消，或者在滿足RAI M要求的區域重新擬定飛行計劃.

圖3 RAI M失效預測

所需導航性能要求機載設備能根據飛行不同階段發出告警.GNSS接收機通常工作有3種模式：航路模式，在距離機場基準點（ARP）30 n mile以外；終端區模式，在距離ARP 30 n mile以內到距最后進近定位點（FAF）之前2 n mile；進近模式，從FAF之前2 n mile到距ARP 30 n mile內.機載接收機會根據距離機場基準點（ARP）的距離的遠近，自動轉換到不同的工作模式，如圖4所示.

圖4 GNSS接收機的工作模式轉換

GNSS接收機的工作模式不同，對應著不同的RAI M的告警門限（integrity monitoring alert li mit，I MAL）和航道偏離指示器（CDI）的滿偏值，如表1所列.

表1 GNSS接收機工作模式

3 RNP APCH進近程序特點

進近程序是PBN程序的重要組成部分.目前PBN進近程序主要包括RNP APCH和RNP AR APCH兩種導航規范，RNP APCH主要從最初的區域導航程序發展而來.最初的區域導航程序還沒有明確區分RNAV和RNP的概念，相關程序都叫做區域導航程序，主要包括VOR／DME區域導航程序、DME／DME區域導航程序和基本GNSS接收機飛行程序、RNP／RNAV區域導航程序等［4］.

在ICAO用PBN的概念重新定義了RNAV和RNP之后，由于原來的 VOR／DME，DME／DME等導航系統的機載設備，無法實現機載導航監視和告警的功能，因此只能用于無告警的RNAV程序，又由導航精度不夠高，不太適合用于進近階段的引導，所以未來RNAV程序將主要航路和終端區導航.GNSS接收機由于具備RAI M告警功能，因此原來的基本GNSS接收機飛行程序就被劃為了RNP程序，其進近程序就是現在的RNP APCH程序.原來的RNP／RNAV區域導航程序就發展成為現在的RNP AR APCH程序.

RNP APCH程序根據其最后進近階段引導形式的不同又分為非精密進近、精密進近和有垂直引導進近（APV）3種形式.

非精密進近程序是指在從最后進近定位點（FAF）到復飛點（mapt）的最后進近航段沒有下滑引導，其保護區如圖5所示，其最低運行標準在進近圖中的表述，如表2中“LNAV MDA”欄所示.

圖5 非精密RNP APCH程序的保護區

RNP APCH的精密進近程序（PA）主要是使用地基增強系統，如LAAS系統等提高機場區域范圍內GNSS的定位精度，使之水平和高度定位精度達到米級，從而可以使機載計算機計算建立一條精準的虛擬下滑道，引導飛機實施精密進近.目前已經在使用的RNP APCH的精密進近程序主要是美國建立的衛星著陸（GLS）程序，其最低運行標準在進近圖中的表述，如表2中“GLS PA DA”欄所示.我國也將使用局域衛星增強系統建立精密進近程序作為未來的發展方向.

RNP APCH的APV程序主要包括LPV程序和氣壓垂直導航程序（Bar o－VNAV）.LPV程序是利用衛星增強系統（SBAS），如來實施的一種GNSS進近程序.目前美國利用廣域增強系統（WAAS）使這種程序已經在美國得到較為廣泛的使用.由于完全基于GPS衛星的情況，不太適合于中國，目前我國也沒有發展這種形式導航方式的計劃.

當前我國正致力于大力發展的是RNP APCH的APV程序中的氣壓垂直導航（Baro－VNAV）程序［5］.這種程序要求機載計算機根據給定的正常下滑角（標準為3°）和GNSS確定的飛機距跑道入口的距離來計算出飛機應該的正確幾何高度，然后將該高度與從氣壓式高度表得到的氣壓高度相比較，從而判斷出飛機相對正常的下滑線的高低.通過這種方式在進近航道上建立起一條模擬的下滑道，引導飛機進行穩定下降.

Baro－VNAV程序可以在不依靠任何地面導航設備的情況下，將飛機引導到最低至350英尺的決斷高度（DA／DH）.因此使用 Bar o－VNAV程序的機場可以不必安裝昂貴的ILS著陸系統.對于已經安裝有ILS系統的機場也可以將Bar o－VNAV程序作為ILS的備份程序，未來甚至可能逐漸取代ILS成為主要的進近方式.目前美國已經有4 000多條跑道在使用Baro－VNAV程序，其程序最低標準在進近圖中的表述，如表2“LNAV／VNAV DA”欄所列.

表2 RNP APCH程序的最低標準

我國民航已經于2009年3月，按照國際民航組織8168及9613文件的標準，為綿陽南郊機場設計了全國首個Baro－VNAV的RNP APCH進近程序，通過多種機型的多次驗證飛行，程序運行取得圓滿成功.根據ICAO民航全球一體化的要求，到2016年，我國將在全部儀表跑道設計使用該種形式的進近程序，因此Baro－VNAV的RNP APCH進近程序是我國目前應大力推廣的主要程序形式.這種程序形式的應用將使我國民航進近導航方式發生根本性的變革.

4 特殊地形機場適用的RNP AR APCH程序

RNP AR APCH程序是一種專用程序，需要針對公司、機型和機組授權.同一個機場、同一條跑道，同一公司的不同種機型所使用的RNP AR APCH程序都會有所不同.因此在機場對外發布的儀表航圖中里面不會提供RNP AR APCH程序，這些程序只在執行這種程序的航空公司才有，該類程序進近圖的識別標識通常是RNVAV（RNP）.

RNP AR APCH程序是一種專門用于特殊機場的飛行程序，通常情況下ICAO不鼓勵使用該程序，因為該程序審批、運行要求復雜，會增加航空公司的成本，除非有運行效益，一般不推薦使用.

但是如果有的機場處于崇山峻嶺、地形復雜、氣候多變，如拉薩、林芝、麗江等機場，傳統的導航方式，甚至RNP APCH程序也很難建立起起降標準較低的儀表飛行程序時，甚至只能實施目視飛行的機場，使用RNP AR APCH程序則顯示出其巨大的優勢.

RNP AR APCH程序有許多獨特的優勢，特別適合在拉薩這樣的山岳河谷地區應用.這種程序的航段和轉彎點的保護區寬度更窄、航段之間連接更簡單流暢、可以使用固定半徑轉彎（RF航段）、能夠進行垂直引導，這些特點可在很窄山溝中建立沿山谷曲線飛行的飛行程序.RNP AR APCH程序的導航規范包括進場、進近和離場航段.

1）航段和轉彎點的保護區寬度更窄.RNP AR APCH程序保護區的標準寬度比RNP APCH程序的保護區更窄，如表2和表3所列.另外RNP AR APCH程序的保護區寬度還可以根據需要進行縮小，最小可縮小到半寬0.1 n mile，這當然這種縮減需要在程序的導航數據代碼中加以說明，也需要飛機的性能、機組訓練等滿足授權要求.

表3 RNP APCH程序的保護區半寬度

表4 RNP AR APCH程序的保護區半寬度 n mile

2）航段之間連接更簡單流暢.RNP AR APCH程序航段之間銜接的簡單流暢主要是指進近各航段保護區之間的銜接和轉彎點處保護區的銜接.RNP APCH程序航段間保護區的銜接與傳統程序相似，采用逐漸縮放的方式.而RNP AR APCH程序各航段保護區的寬度是直接跳轉的，這樣程序更簡單，航段銜接處考慮的障礙物更少.在轉彎點處，RNP AR APCH程序的轉彎保護區也比RNP APCH程序更小.由于RNP AR APCH程序的保護更小，程序需要考慮的障礙物限制更少，程序簡潔流暢，適用性更強，當然對飛機和機組的要求就更高.

3）可以使用固定半徑轉彎（RF航段）.固定半徑是RNP AR APCH程序特有的航段形式，它要求飛機沿固定的轉彎半徑轉彎.程序設計人員需要根據特定型別飛機飛行各階段的速度，最佳的轉彎坡度等來計算出固定的轉彎半徑并將該半徑的參數編制在該程序的數據庫代碼中.多個沿固定半徑轉彎的航段組合就可以實現曲線飛行，滿足飛機在蜿蜒曲折的山谷中飛行的需要.

4）能夠進行垂直引導.RNP AR APCH程序屬于APV程序，能夠提供垂直引導.與傳統的精密進近程序中的下滑引導不同，RNP AR APCH程序可以提供從進場到進近各航段的穩定下降垂直引導.當飛機的水平航跡固定，垂直下滑航跡規定時，飛機就像是在空中構建的曲型管道中飛行，從而實現ICAO建設空中立交橋的設想.

5 使用PBN程序，促進我國民航進近導航方式的發展

目前我國處于民航高速發展的時期，根據我國五年計劃的規劃，未來中國將建設大量的新機場，擴建許多已有的機場，民航運輸市場的發展前景廣大.如上所述，根據各類PBN進近程序的特點，我國應該首先加快氣壓垂直導航（Bar o－VNAV）的RNP APCH進近程序的應用，為盡量多的跑道設計該類進近程序，增加我國機場的空域容量、提高飛行效率和節能減排效果.對于高原山區等特殊機場也應推進RNP AR APCH程序的應用，以降低機場的運行標準，提高飛行安全水平，增加機場的可用性.

通過加快推進PBN程序在我國的應用，促進我國新一代航空運輸系統的建設，加快我國從航空大國向航空強國邁進的步伐.

［1］ICAO.Perfor mance Based Navigation Manual Icao DOC－9613［S］，2007.

［2］ICAO.Doc 9906－AN／472 The Quality Assurance Manual For Flight Procedure Design［S］，2007－11.

［3］石 京，黃 謙，吳照章.我國交通運輸與經濟發展的相互關系研究［J］，武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2010，34（6）：1 077－1 080.

［4］周勝利.基于飛行數據的所需導航性能（RNP）側向偏差分析［J］.交通標準化，2009（4）：28－31.

［5］在航路和終端區實施RNAV1和RNAV2的運行指南［S］，AC－91－FS－2008－09 2008.6