基于性能導航對機場噪聲的影響

桂 荔，林蘭之，陳紅英

（中國民用航空飛行學院飛行技術學院，四川 德陽618000）

1 引言

環保性是影響民航業發展的重要因素，在規劃空域、設計飛行程序及管理飛機運行時，都應考慮對環境的影響。隨著機場數量增加和規模擴大，針對機場噪聲的投訴數量呈增長態勢，長期暴露在高噪聲水平下使人煩惱甚至會對人的身體健康產生不利影響。2013 年，希斯羅機場周邊地區居民的健康調查發現，居住在噪聲水平晝間大于DNL63 dB 或者夜間大于DNL55 dB區域的居民因中風而住院的可能性增加25%，其中晝夜等效聲級DNL（Day-Night Average Sound Level）是美國常用的環境噪聲度量指標[1]，此外，高噪聲水平還會造成心臟病的發病率增加、工作效率降低等不利影響。舒爾茨經過多年研究總結了至今仍常被引用的噪聲影響曲線，該曲線很好地說明了噪聲困擾人數比例與噪聲水平大小間的正相關關系[2]。美國聯邦航空管理局FAA 認為DNL65 dB 是噪聲暴露的閾值，中國根據GB 9660—88《機場周圍飛機噪聲環境標準》，規定了不同特征區域噪聲標準，如表1，表中LWECPN為計權等效連續感覺噪聲級。國際民航組織發行的《飛機噪聲管理的平衡做法指導》中提出了控制噪聲的“平衡方法”，指出可以通過控制飛機噪聲源、合理規劃和管理機場周圍土地、優化飛行程序和限制航空器在機場的運行達到減噪的目的[3]。其中飛行程序是為航空器運行規劃的“空中高速公路”，航空器按照飛行程序規定的飛行路線、高度和機動區域進行機動飛行，保證航空器與航空器之間、航空器與地面障礙物之間具有合理間隔。目前，國際上積極推廣和發展的基于性能導航PBN 程序，在減排降噪方面具有積極影響。

2 基于性能導航PBN 簡介

基于性能的導航PBN（Performance-Based navigation）是指以沿空中交通服務航路運行、實施儀表進近程序或在指定空域運行的航空器性能要求為基礎的區域導航[4]。美國推出的“下一代航空運輸系統”（NextGen）項目中PBN 是一項重要的航線新技術。中國民航也于2009 年發布了《中國民航基于性能的導航實施路線圖》，分三個階段逐步推進，目前正處于第三個階段（2017—2025 年），實現從傳統導航與PBN 混合運行過渡到完全的PBN 運行，之后航路、進近和終端區所有飛行階段都將全部以PBN 運行為主[5]。與傳統導航相比，PBN 運行不再基于具體導航設施，而是提出了導航性能需要滿足的要求，主要由導航系統的精度、完整性、連續性和功能性來確定。PBN 程序設計更加靈活，在安全性、經濟性和環保性方面更顯優勢，還可以提高航班正點率，增加機場容量和流量，解決地形復雜地區的開航難題等[6]。

表1 中國噪聲標準

PBN 運行包含導航基礎設施、導航規范和導航應用三個要素。導航規范中明確了系統必須具備的導航功能以及對導航傳感器和機組人員的要求。傳統導航設施為陸基導航系統，航線和程序設計受到限制，PBN 主要依賴全球導航衛星系統（GNSS）提供導航，GNSS 包括美國的全球定位系統（GPS）、中國的北斗衛星定位系統（BDS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（GALILEO）和俄羅斯的格洛納斯導航衛星系統（GLONASS）。以GNSS 為導航源可以持續獲得飛機的實時位置信息，且定位精度高，在指定空域內，飛機無需從一個導航臺飛行另一個導航臺，擺脫了地面導航臺的限制，飛行員可以在兩點間自由規劃飛行路徑[7]。導航規范分為區域導航RNAV 規范和所需性能導航RNP 規范，RNAV規范以前綴RNAV 標識，如RNAV5，RNP 規范以前綴RNP標識，如RNP1，標識后的數字表明導航的精度，如RNP1中的數字“1”表明在指定空域和航路內，至少在95%的總飛行時間里，總系統誤差和沿航跡誤差在±1 n mile 內。RNP能夠創建精確的三維（3D）飛行路徑，除橫向引導外，還提供垂直引導，使飛機具有精確的垂直和橫向飛行能力，并且依據導航規范要求進行性能監視，在偏離標稱航跡過多時提供告警服務。飛機在離場、進場和進近階段噪聲影響顯著，PBN 在進近階段只有RNP 進近規范，包括RNP APCH 和RNP AR APCH 兩種進近規范，RNP APCH 導航規范普適性更強，可適用于平原等地形環境好的機場，而RNP AR APCH適用于類似林芝機場之類的地形環境較為復雜的機場[8]。RNP APCH 運行精度一般為0.3 n mile，RNP AR APCH 運行精度更高，一般為0.1～0.3 n mile，但是對航空器和機組成員也有更高的要求[9]。

3 基于性能導航對機場噪聲的影響

3.1 連續下降運行/連續上升運行

近幾年，為減小機場噪聲和污染物排放，引入了以慢車推力或接近慢車推力下降的連續下降操作CDO（continuous decent operation）。國際民航組織定義CDO 是一種航空器運行技術，通過空域設計、程序設計和ATC 簡化指令實現飛機的連續下降，下降過程中飛機盡可能地使用發動機最小推力和低阻力構型，最小的發動機推力和較小的飛行阻力可以最有效地利用飛機在高空中的總能量。理想情況下，最佳的CDO 是從下降頂點開始，到最后進近定位點（FAF），最后進近點（FAP）或者著陸引導系統的建立，一直使用連續下降剖面，只有在減速、改變飛機構型或使用著陸引導系統（如ILS）時才需要短的水平飛行段[10]。持續下降進近程序CDA 就是一種CDO 運行程序，是以固定下滑角進近的方法，現代的CDA 運行程序中間基本沒有平飛航段。因為去掉了平飛段，增加了飛越航路點高度、發動機推力小，并且盡可能地使用了光潔構型，而降低了噪聲水平，是一種減噪效果明顯的下降剖面。國內外從理論分析、仿真模擬和試驗等方面驗證了CDA 的降噪能力[11]，2004 年，MIT 研究團隊與Boeing 在Louisville 國際機場進行CDA 程序試飛試驗，通過測量分析B767 和B757 運行數據發現，與傳統進近方式對比，CDA 程序可將沿著飛行路徑七個位置的噪聲峰值降低3.9～6.5 dB[12]。PBN 程序因其具有高精度導航性能和不依賴地面導航設施的特點在CDA 運行程序方面具有優越性，郝帥為廈門高崎機場針對PBN 飛行程序CDA 運行優化設計了融合式程序，整個進近航段運行融合點程序，采用氣壓式垂直導航程序（Baro-VNAV）有效地實現了連續下降進近[13]。ERRICO 等人生成不同的垂直剖面并評估了基于性能導航PBN 在CDA 運行方面的潛在收益[14]。

連續上升運行CCO 與連續下降運行CDO 相對應，定義也與CDO 類似，指通過空域規劃、程序設計和空管控制，使得飛機離場時使用最佳發動機推力設置，盡可能地連續爬升至巡航高度[15]。連續上升運行CCO 使飛機能夠使用最佳的爬升發動機推力起飛和爬升，而不會中斷或改平，同樣能夠降低噪聲影響。與CDA 程序一樣，PBN 程序有利于連續上升運行，允許飛機不間斷地爬升至更高的高度[16]。

3.2 規避噪聲敏感區

航空器的噪聲影響程度和范圍與其飛行航跡有著緊密的聯系，合理地規劃航線能夠改善機場周邊噪聲污染。基于性能導航的航線具有更好的靈活性，PBN 運行能夠很好地保持航跡和實現航段過渡，可以實現兩個定位點之間的大圓航線或者直飛到定位點，在兩點間自由飛行，因此可使用建立平行飛行航線或者臨時繞飛等方法將航跡安排在人口密度較小的區域，例如農田、公路、河流等非居住區，盡量避開住宅區、學校、醫院和辦公區等噪聲敏感區域，或者降低飛機飛越時噪聲對敏感區的影響。王維等利用PBN 程序具有飛行自主權更高的優點，在廣州白云機場設計進近程序時采用偏離一定角度轉彎，成功避開了噪聲敏感區，并使用INM噪聲計算軟件分析了規避前后的噪聲水平和影響范圍，發現具有良好的降噪效果[17]。PBN 程序飛行誤差和導航誤差小，導航精度相較于常規程序高，航跡保持能力強，因此飛行軌跡的側向離散程度大大減小，這種減小稱為飛行軌跡集中，飛行軌跡的集中區對軌跡正下方的噪聲暴露有重大影響。在舊金山國際機場，2014 年實施了基于性能導航PBN 運行，實施之后因為航跡集中區位于噪聲敏感區，噪聲投訴量增加了一個數量級，從2014 年的14 726 件增加到2015 年的152 336 件。所以在規劃飛行航跡時航跡集中區應最大限度避開噪聲敏感區域。但因機場附近人口稠密或其他條件限制而無法避免時，考慮到PBN 程序能夠進一步縮減保護區的范圍且保護區沿飛行軌跡兩邊平行等寬，因此可設計分散航跡，使位于飛行軌跡正下方的較高噪聲水平顯著降低，但是噪聲影響范圍也相應增大[17]。

3.3 縮短飛機在機場上空飛行時間

飛機作為機場噪聲的主要來源，在執行飛行任務整個過程中均會產生噪聲，機場作為飛機起降的主陣地，航班密集、交通流量大。提高終端區運行效率，縮短飛機在機場周圍飛行的時間，將在一定程度上減少噪聲對機場及周邊地區干擾[18]。

在進離場時，常規程序有可能受地面導航臺約束或風向、地形限制而無法選用直線航線的儀表進近程序模式，需使用反向離場程序和直角航線程序，需要的空域大，且在機場上空飛行時間長，必然加重飛機噪聲對地面的影響。PBN程序航線更加自主，通常無需過多繞飛，減少了飛機在機場附近飛行時間，亞特蘭大機場在2006 年實施RNAV 程序后，每架飛機地面等待時間平均縮短2.5 min。

未來PBN 的飛行管理系統有望準確預測飛機到達某一航路點的時間，即從3D（經度、維度、高度）位置精確定位擴展到時間定位，形成基于時間的四維飛行航跡。PBN 運行結合四維航跡對于空中交通管制進行戰術和計劃協調很有幫助，使空中交通更加有序，ATC 獲得更高的效率，也提高了跑道利用率，飛機可以在最佳高度的直航航線上運行，避免了擁擠的到達等待模式，同樣減少飛機在機場上空盤旋時間，降低噪聲影響。

4 結束語

基于性能導航PBN 的導航精度高，且擺脫了地面導航設施的限制，因此運輸機駕駛員能夠在導航信號覆蓋范圍內或在機載設備的能力允許范圍內，沿任意期望航跡飛行，自主地選擇有利路徑，可以大大減少燃油消耗以及CO2和污染氣體的排放，同時在終端區合理使用PBN 程序有意避開噪聲敏感區，減少在機場上空的飛行時間，起到了降低噪聲的作用，因此使用PBN 程序可以提高運行的環境效益。

此外，對連續下降程序CDA 的理論分析、仿真模擬和試驗研究表明連續下降剖面因為去除了平飛段，且高度高、推力小，因此具有明顯的降噪效果。PBN 導航的高精度為CDA 運行提供有效助力，在CDA 運行方面具有優越性。