基于性能的导航（PBN）对我国民航进近方式发展影响的研究＊

黄 晋 高浩然 戴巨星

（中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院1） 广汉 618307）（民航新疆空中交通管理局2） 乌鲁木齐 830063）

1 基于性能导航（PBN）的概念

基于性能的导航（PBN）是国际民航组织（ICAO）在整合世界各国区域导航（RNAV）和所需导航性能RNP运行实践和技术标准的基础上，提出的一种新型运行概念.它是世界民航CNS／AT M系统建设的重要组成部分，目前ICAO发布的PBN 手册 （Doc.9613），定义了PBN的相关概念和运行规范.

基于性能导航概念包含了3个基本的因素［1］：导航规范、基础设施和导航应用，如图1所示.导航规范详细描述了沿着特定区域导航所需的性能要求，是民航当局适航和运行批准的基础.基础设施是用于支持每种导航规范的导航基础设施（如星基系统或陆基导航台）.导航应用是将导航规范和导航设施结合起来，在航路、终端区、进近或运行区域的实际应用，包括RNAV／RNP航路、标准仪表进离场程序、进近程序等.

图1 基于性能导航概念的3个基本因素

根据PBN手册中的分类，PBN导航主要分为RNAV和RNP两类，其中RNP被定义为在运行中不要求具备机载监视和告警功能，RNAV则不要求具备该能力如图2所示.

图2 PBN的分类及导航应用

根据我国的特点，RNAV规范将主要应用航路和终端区［2－3］，其中在航路上计划使用 RNAV2规范，在终端区计划强制使用RNAV1规范，这2种导航规范的导航设施可以是GNSS，DME／DME，DME／DME／IRU.RNP规范则既可以用于航路和终端区，也更主要用于进近.其中海洋和偏远地区使用RNP4规范，我国L888航路就属于RNP4；基本RNP1适用于航路和终端区，该导航规范主要用于低到中等交通密度且无雷达覆盖区域的建立航路和终端区程序；进近序则主要使用RNP APCH和RNP AR APCH导航规范.目前支持各类RNP导航规范的导航设施主要是卫星导航系统（GNSS），RNP导航规范中要求的机载监视与告警功能主要由GNSS的接收机中的完整性监视（RAI M）功能来提供保障.

2 PBN进近程序的运行要求

适合我国发展使用的PBN进近程序主要包括：作为通用程序的RNP APCH程序和作为需要针对公司、特定机型及机组进行特别授权的RNP AR APCH专用程序.这2种程序都属于RNP导航规范，需要具备导航监视和告警功能机载设备.

目前能提供这种告警的机载设备中主要是指GNSS接收机的RAI M告警，它可以利用机载GPS信息和其他传感器信息，提供导航完整性监视告警，保障导航精度满足所需导航性能的要求.如今具备这种功能的GNSS接收机已经广泛使用在各型飞机上，这些接收机能满足TSO－C129，或TSO－C145／146的标准要求.

但是由于导航卫星星历变化等原因，也可能会存在一些GNSS接收机在短时间内不能准确提供RAI M告警的情况.因此在实施RNP运行时，空管部门通常会提供的RAI M 失效预测信息，有的机载接收机也能通过特定的软件来提供这种RAI M失效预测，该类预测见图3.如果预测到计划飞行的任何阶段失去RAI M持续超过5 min，则此飞行应推迟或取消，或者在满足RAI M要求的区域重新拟定飞行计划.

图3 RAI M失效预测

所需导航性能要求机载设备能根据飞行不同阶段发出告警.GNSS接收机通常工作有3种模式：航路模式，在距离机场基准点（ARP）30 n mile以外；终端区模式，在距离ARP 30 n mile以内到距最后进近定位点（FAF）之前2 n mile；进近模式，从FAF之前2 n mile到距ARP 30 n mile内.机载接收机会根据距离机场基准点（ARP）的距离的远近，自动转换到不同的工作模式，如图4所示.

图4 GNSS接收机的工作模式转换

GNSS接收机的工作模式不同，对应着不同的RAI M的告警门限（integrity monitoring alert li mit，I MAL）和航道偏离指示器（CDI）的满偏值，如表1所列.

表1 GNSS接收机工作模式

3 RNP APCH进近程序特点

进近程序是PBN程序的重要组成部分.目前PBN进近程序主要包括RNP APCH和RNP AR APCH两种导航规范，RNP APCH主要从最初的区域导航程序发展而来.最初的区域导航程序还没有明确区分RNAV和RNP的概念，相关程序都叫做区域导航程序，主要包括VOR／DME区域导航程序、DME／DME区域导航程序和基本GNSS接收机飞行程序、RNP／RNAV区域导航程序等［4］.

在ICAO用PBN的概念重新定义了RNAV和RNP之后，由于原来的 VOR／DME，DME／DME等导航系统的机载设备，无法实现机载导航监视和告警的功能，因此只能用于无告警的RNAV程序，又由导航精度不够高，不太适合用于进近阶段的引导，所以未来RNAV程序将主要航路和终端区导航.GNSS接收机由于具备RAI M告警功能，因此原来的基本GNSS接收机飞行程序就被划为了RNP程序，其进近程序就是现在的RNP APCH程序.原来的RNP／RNAV区域导航程序就发展成为现在的RNP AR APCH程序.

RNP APCH程序根据其最后进近阶段引导形式的不同又分为非精密进近、精密进近和有垂直引导进近（APV）3种形式.

非精密进近程序是指在从最后进近定位点（FAF）到复飞点（mapt）的最后进近航段没有下滑引导，其保护区如图5所示，其最低运行标准在进近图中的表述，如表2中“LNAV MDA”栏所示.

图5 非精密RNP APCH程序的保护区

RNP APCH的精密进近程序（PA）主要是使用地基增强系统，如LAAS系统等提高机场区域范围内GNSS的定位精度，使之水平和高度定位精度达到米级，从而可以使机载计算机计算建立一条精准的虚拟下滑道，引导飞机实施精密进近.目前已经在使用的RNP APCH的精密进近程序主要是美国建立的卫星着陆（GLS）程序，其最低运行标准在进近图中的表述，如表2中“GLS PA DA”栏所示.我国也将使用局域卫星增强系统建立精密进近程序作为未来的发展方向.

RNP APCH的APV程序主要包括LPV程序和气压垂直导航程序（Bar o－VNAV）.LPV程序是利用卫星增强系统（SBAS），如来实施的一种GNSS进近程序.目前美国利用广域增强系统（WAAS）使这种程序已经在美国得到较为广泛的使用.由于完全基于GPS卫星的情况，不太适合于中国，目前我国也没有发展这种形式导航方式的计划.

当前我国正致力于大力发展的是RNP APCH的APV程序中的气压垂直导航（Baro－VNAV）程序［5］.这种程序要求机载计算机根据给定的正常下滑角（标准为3°）和GNSS确定的飞机距跑道入口的距离来计算出飞机应该的正确几何高度，然后将该高度与从气压式高度表得到的气压高度相比较，从而判断出飞机相对正常的下滑线的高低.通过这种方式在进近航道上建立起一条模拟的下滑道，引导飞机进行稳定下降.

Baro－VNAV程序可以在不依靠任何地面导航设备的情况下，将飞机引导到最低至350英尺的决断高度（DA／DH）.因此使用 Bar o－VNAV程序的机场可以不必安装昂贵的ILS着陆系统.对于已经安装有ILS系统的机场也可以将Bar o－VNAV程序作为ILS的备份程序，未来甚至可能逐渐取代ILS成为主要的进近方式.目前美国已经有4 000多条跑道在使用Baro－VNAV程序，其程序最低标准在进近图中的表述，如表2“LNAV／VNAV DA”栏所列.

表2 RNP APCH程序的最低标准

我国民航已经于2009年3月，按照国际民航组织8168及9613文件的标准，为绵阳南郊机场设计了全国首个Baro－VNAV的RNP APCH进近程序，通过多种机型的多次验证飞行，程序运行取得圆满成功.根据ICAO民航全球一体化的要求，到2016年，我国将在全部仪表跑道设计使用该种形式的进近程序，因此Baro－VNAV的RNP APCH进近程序是我国目前应大力推广的主要程序形式.这种程序形式的应用将使我国民航进近导航方式发生根本性的变革.

4 特殊地形机场适用的RNP AR APCH程序

RNP AR APCH程序是一种专用程序，需要针对公司、机型和机组授权.同一个机场、同一条跑道，同一公司的不同种机型所使用的RNP AR APCH程序都会有所不同.因此在机场对外发布的仪表航图中里面不会提供RNP AR APCH程序，这些程序只在执行这种程序的航空公司才有，该类程序进近图的识别标识通常是RNVAV（RNP）.

RNP AR APCH程序是一种专门用于特殊机场的飞行程序，通常情况下ICAO不鼓励使用该程序，因为该程序审批、运行要求复杂，会增加航空公司的成本，除非有运行效益，一般不推荐使用.

但是如果有的机场处于崇山峻岭、地形复杂、气候多变，如拉萨、林芝、丽江等机场，传统的导航方式，甚至RNP APCH程序也很难建立起起降标准较低的仪表飞行程序时，甚至只能实施目视飞行的机场，使用RNP AR APCH程序则显示出其巨大的优势.

RNP AR APCH程序有许多独特的优势，特别适合在拉萨这样的山岳河谷地区应用.这种程序的航段和转弯点的保护区宽度更窄、航段之间连接更简单流畅、可以使用固定半径转弯（RF航段）、能够进行垂直引导，这些特点可在很窄山沟中建立沿山谷曲线飞行的飞行程序.RNP AR APCH程序的导航规范包括进场、进近和离场航段.

1）航段和转弯点的保护区宽度更窄.RNP AR APCH程序保护区的标准宽度比RNP APCH程序的保护区更窄，如表2和表3所列.另外RNP AR APCH程序的保护区宽度还可以根据需要进行缩小，最小可缩小到半宽0.1 n mile，这当然这种缩减需要在程序的导航数据代码中加以说明，也需要飞机的性能、机组训练等满足授权要求.

表3 RNP APCH程序的保护区半宽度

表4 RNP AR APCH程序的保护区半宽度 n mile

2）航段之间连接更简单流畅.RNP AR APCH程序航段之间衔接的简单流畅主要是指进近各航段保护区之间的衔接和转弯点处保护区的衔接.RNP APCH程序航段间保护区的衔接与传统程序相似，采用逐渐缩放的方式.而RNP AR APCH程序各航段保护区的宽度是直接跳转的，这样程序更简单，航段衔接处考虑的障碍物更少.在转弯点处，RNP AR APCH程序的转弯保护区也比RNP APCH程序更小.由于RNP AR APCH程序的保护更小，程序需要考虑的障碍物限制更少，程序简洁流畅，适用性更强，当然对飞机和机组的要求就更高.

3）可以使用固定半径转弯（RF航段）.固定半径是RNP AR APCH程序特有的航段形式，它要求飞机沿固定的转弯半径转弯.程序设计人员需要根据特定型别飞机飞行各阶段的速度，最佳的转弯坡度等来计算出固定的转弯半径并将该半径的参数编制在该程序的数据库代码中.多个沿固定半径转弯的航段组合就可以实现曲线飞行，满足飞机在蜿蜒曲折的山谷中飞行的需要.

4）能够进行垂直引导.RNP AR APCH程序属于APV程序，能够提供垂直引导.与传统的精密进近程序中的下滑引导不同，RNP AR APCH程序可以提供从进场到进近各航段的稳定下降垂直引导.当飞机的水平航迹固定，垂直下滑航迹规定时，飞机就像是在空中构建的曲型管道中飞行，从而实现ICAO建设空中立交桥的设想.

5 使用PBN程序，促进我国民航进近导航方式的发展

目前我国处于民航高速发展的时期，根据我国五年计划的规划，未来中国将建设大量的新机场，扩建许多已有的机场，民航运输市场的发展前景广大.如上所述，根据各类PBN进近程序的特点，我国应该首先加快气压垂直导航（Bar o－VNAV）的RNP APCH进近程序的应用，为尽量多的跑道设计该类进近程序，增加我国机场的空域容量、提高飞行效率和节能减排效果.对于高原山区等特殊机场也应推进RNP AR APCH程序的应用，以降低机场的运行标准，提高飞行安全水平，增加机场的可用性.

通过加快推进PBN程序在我国的应用，促进我国新一代航空运输系统的建设，加快我国从航空大国向航空强国迈进的步伐.

［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，黄 谦，吴照章.我国交通运输与经济发展的相互关系研究［J］，武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（6）：1 077－1 080.

［4］周胜利.基于飞行数据的所需导航性能（RNP）侧向偏差分析［J］.交通标准化，2009（4）：28－31.

［5］在航路和终端区实施RNAV1和RNAV2的运行指南［S］，AC－91－FS－2008－09 2008.6