PBN飞行程序特点

郝亮 中国民航飞行学院绵阳分院飞行七大队 621000

PBN飞行程序特点

郝亮 中国民航飞行学院绵阳分院飞行七大队 621000

随着国际航空事业的不断发展，伴随现代科技的发展，近年来出现了诸多航行新技术。国际民航组织（ICAO）在整合区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）运行概念的基础上，定义了“基于性能的导航（PBN）”运行概念，并将PBN作为一项航行新技术，在全球全面推广实施。PBN技术的实施，将使全球民用航空业进一步提高飞行安全、扩大机场和空域容量、提高运行效率、优化航路和和空域结构、减少地面设施建设、节能减排等。PBN技术在我国的推广应用，将涉及民航局、航空公司、空管部门、机场、监管部门等多方及大量相关人员。PBN技术涵盖了多个技术领域，其中最关键的技术领域，包括卫星导航技术、航空器飞行运行管理和控制技术、PBN飞行程序设计技术、导航数据库的建立和管理技术等。

基于性能的导航；程序设计；区域导航；所需导航性能

1 本文研究的目的和意义

近年来，ICAO在整合先前RNAV和RNP运行的基础上，提出并建立了“基于性能的导航（PBN）”运行概念。PBN的实施，必将使民航航空在保证飞行运行安全、扩大系统容量、提高运行效率、提高机场和空域使用效率等方面具有明显效果。

2 PBN技术及运行原理

PBN是ICAO在先期全球RNAV和RNP运行和相关标准的基础上，经过整合后提出的新的运行概念。要了解PBN技术及其程序设计原理，必须对PBN技术的原理、要求和法规进行深入的分析，同时需要对RNAV和RNP进行比较。

2.1 PBN概念

PBN即基于性能的导航，是在ICAO先期提出的新航行系统（CNS/ATM）这一空域概念的基础上，将“导航”模式从基于导航源导航模式转变为基于性能的导航。基于性能的导航中的“性能”，主要指导航的精度、完好性、连续性、可用性和功能的要求。在RNP AR运行中，涉及航空器的飞行性能。

PBN运行需要三个基本要素来支持，即“导航应用”、“导航规范”和支持系统运行的“导航设施”。

2.2 PBN运行标准

PBN是国际民航组织整合全球RNAV和RNP运行及标准的基础上后提出的新概念，因此PBN涵盖了RNAV和RNP的所有技术标准，PBN运行包含RNAV和RNP运行。PBN运行最典型的特征是基于导航性能的运行，其航路结构、终端区程序和进近程序的结构和布局，都是基于航路点到航路点布局，与传统方式有诸多不同，如图1所示。但RNAV和RNP运行要求不相同，最为典型的区别在于，RNP运行时对机载系统有特殊要求，即机载系统一定要具备OPMA功能，而RNAV运行一般要求地面一定要有雷达监视。

图1 传统导航和PBN导航区别

从图1中可以看出，在传统陆基导航运行时，航路保护区的宽度随着航空器离导航台的距离越远，保护区宽要求越宽.

而在RNP和RNAV运行时，由于首选卫星导航，卫星导航误差不随位置的变化而变换，航空器从航路点到航路点飞行，因此航路两侧保护区宽度为平行区域。即使采用陆基导航（如VOR/DME或者DME/ DME），或者惯性导航（如IRS），在进行导航性能评估后，在PBN航路或者仪表飞行程序中飞行时，导航误差也不会大于保护区宽度，因此航路两侧保护区为平行线。

2.2.1 RNAV概念及运行特点

RNAV（Area Navigation）既是一种导航方式，也是一种运行方式。RNAV是只在陆基导航设施（如VOR、DME）信号覆盖范围内，或者机载自主导航系统能力范围内（如INS/IRS）、或者星基导航系统（如GNSS）作用区域内，机载区域导航计算机或者区域导航系统（如飞行管理系统（FMS））计算航空器的位置，并引导航空器脱离导航台约束沿任意期望航路飞行。沿期望航路飞行，航路结构为经纬度坐标点而非导航台（航路点也可以是陆基导航台）。

RNAV运行的最大优势，就是航路结构更为自由，可以用于障碍物避让、专用空域避让或者人口稠密区避让。同时RNAV航路的水平保护区缩小了，可以使空域利用率更高。灵活的航路结构，同时也可以分流传统运行时空域内高流量节点的流量，改善终端区进离场程序的结构和布局，提高机场终端区流量。

事实上，目前主流大中型民用航空器（如波音、空客飞机）上，VOR/DME、DME/DME、INS/IRS、GNSS等均作为FMS的导航传感器使用，FMS对航空器进行管理和控制的飞行管理（FM）位置，由飞行管理计算机（FMC）计算获得。其中，FMC主要参考INS/IRS的位置。由于INS/IRS存在位置飘移，所以INS/IRS在飞

行前需要进行校正，在飞行过程中需要使用GNSS、VOR/DME、DME/DME定位信息进行位置更新，以便使FMC获得准确的FM位置。

值得注意的是，在RNAV5、RNAV2和RNAV1运行时，通常需要在地面监视下运行，比如二次监视雷达（SSR）监视。对于RNA9V1运行，在经过飞行运行安全评估（FOSA）后，如果终端区没有SSR也可以运行。

2.2.2 RNP概念及运行

RNP概念是1991、1992年间由ICAO新航行系统（FANS）委员会提出，1994年ICAO在正式颁布的《RNP手册》（Doc 9613-AN/937）（第二版）中定义RNP为：飞机在一个确定的航路、空域或区域内运行时，所需的导航性能精度。RNP是在新通信、导航和监视（CNS）技术开发应用条件下产生的新概念。在实际应用中，RNP概念，既对空域提出要求，也对机载设备提出要求。

对特定空域和航路而言，RNP运行要求航空器的导航性能必须符合导航规范的要求，这些要求中最为重要的三个因素是导航精度、完好性和航空器机载系统功能。

RNP导航规范，包括RNP10（即RANV10）、RNP4、RNP2（目前标准正在制定中）、B-RNP1、A-RNP1（目前标准正在制定）、RNP APCH、RNP AR共7种。其中RNP10、RNP4主要用于海洋及边远航路，RNP2可用于大陆航路，B-RNP1、A-RNP1主要用于终端区进离场，RNP APCH和RNP AR用于进近。

值得注意的是，RNP运行仍然是区域导航运行，RNP航路结构仍然是从航路点到航路点，RNP飞行运行仍然是由区域导航系统（如FMS）来完成的。

3 PBN程序特点

由于当前全球广泛使用高精度卫星导航系统，可以大大缩小仪表飞行程序的保护区宽度，因此包括RNAV进离场程序、RNP进近程序在内的PBN程序，是在基于导航性能的理念下推出的一种全新保护区更小、航路点和程序构型更为灵活、适用性更强的一种飞行程序。

3.1 RNAV程序及要求

在《PBN手册》中规定，RNAV仪表飞行程序，只适用于进离场阶段，不能用于进近阶段，进近程序只能使用RNP程序。适用于终端区运行的RNAV导航规范，包括RNAV1和RNAV2导航规范，目前中国民航只使用RNAV1导航规范作为进离场导航规范。

能够支持终端区进离场程序的导航源，可以选择DME/DME和 GNSS。如果选择RNAV1作为导航规范，机场终端必须具备雷达监视运行能力，或者通过飞行运行安全评估（FOSA）后，也不可不需要雷达监视运行。区域导航运行，必须要依赖导航数据库，因此所有程序必须根据ARINC-424规范进行导航数据库编码，并在飞行前将正确的导航数据库载入航空器。

3.1.1 定位点

根据《国际民用航空公约》附件15规定，RNAV程序的每个定位点称为航路点，用经纬度坐标来表示。定位点当然也可以是一个导航台，也可以是一些地面标志点，比如跑道入口等。

符合要求的起始或中间定位点，沿航迹容差（ATT）不应大于±3.7KM（±2.0NM）。最后进近定位点、梯级下降定位点或复飞定位点的要求，定位点的沿航迹容差不应大于±3.7KM（±2.0NM）。但是沿航迹容差也可以增加到不超过最后航段长度的25%。

梯级下降定位点（SDF）是在一个航段内已确认安全飞越控制障碍物后、允许再下降的定位点。SDF一般设置在障碍物复杂区域，如果有需要在最后进近航段只宜规定一个梯级下降定位点。如果有非雷达引导或DME台提供定位服务，则可最多规定两个梯级下降定位点，并且梯级下降定位点应满足在航段相应的定位点要求。

3.2 离场程序

RNAV离场程序，只限主区总宽度等于第一个航路点处的保护区半宽的程序有副区。连接有关定位点处的不同保护区宽度，基于DME/DME或GNSS的RNAV保护区总宽度。对于基于RNP的RNAV，公布的RNP值根据程序的位置减小时，从起点RNP值至终点RNP值，保护区总宽度在中心线两侧按照30°收敛角减小。

3.2.1 直线离场

初始离场航迹与跑道走向夹角小于15°，由位于跑道起飞末端（DER）后面的第一个航路点确定。

初始离场的保护区宽度，适用ICAO DOC 8168一般准则，直至扩展边界与假想区外边界相交，随后保持假想区宽度至离场程序第一个航路点。假想区从DER开始延伸至第一个航路点，其在DER和第一个航路点的保护区半宽随导航源类型不同而不同。

3.2.2 转弯离场

可以规定四种转弯：在“旁切”航路点转弯；在“飞越”航路点转弯（相应于指定TP转弯）；在一个高度转弯（对RNP程序无效）；固定半径转弯（只用于RNP程序）。只要超障余度和其他考虑因素允许，应使用“旁切”航路点转弯。

避免使用在一个高度转弯，防止转弯后航迹过于分散。为使航空器正确实施转弯，每一个规定的转弯最小为5°，最大不应大于120°。但120°不适合于在一个高度或在指定TP自由折返至航路点的转弯。假定导航设备有预计转弯能力，不需考虑建立坡度时间，只需考虑3s驾驶员反应时间。

3.3 进场和进近程序

传统仪表进近程序，从IAF开始到结束复飞航段之间的航路点一般不应超过九个。但事实上，在我国西部高原复杂地形机场，RNP AR进近程序所布局的航路点，远远多于九个，最多的机场是西藏林芝机场，达到108个航路点。

3.3.1 进场航线

基本GNSS保护区宽度确定：在以机场基准点（ARP）为圆心56KM（30NM）为半径的弧与标称航迹的交点，保护区宽度从垂直于该点的位置以30°收敛角从中心线两侧缩小，在距ARP56KM（30NM）之外使用航路宽度。

RNP保护区宽度的确定：直到IAF前46KM（25NM），应使用航路保护区半宽；距IAF46KM（25NM）及以内，应使用起始进近保护区半宽。保护区宽度在中心线两侧从“航路”RNP值以30°收敛角减小到“起始进近”RNP值。

3.3.2 起始进近航段

起始进近航迹与另一条起始进近航迹或中间进近航迹的交角不应大于120°。对于基本GNSS，起始进近航段最佳长度为9KM（5NM），H类为6KM（3NM），起始与进场航段的最短长度为11.1KM（6.0NM）。

中间进近航段应与最后进近航段对正，如果必须在FAF处转弯， DME/DME引导时航迹夹角不能大于45°；基本GNSS不能大于30°；RNP不能大于30°，H类（直升机）为60°。中间进近航段由中间进近航路点的转弯部分和以最后进近航路点为末端的直线部分，直线部分的长度不应小于3.70KM（2.00NM），转弯部分的长度为在IF的转弯角度对应的最短稳定距离。

3.3.3 复飞航段终点

复飞航段终点的MAHF不应早于以各航段规定梯度爬升的航空器到达相应的航路最低高度或等待最低高度的位置。

3.3.4 非精密进近程序

MAPt为飞越航路点，最早的复飞点由MAPt处的ATT值确定。保护区从MAPt在复飞航迹两侧扩张15°，直至达到保护区在最早的MATF处的宽度，如果MATF靠近MAPt，应增大扩张角，保证保护区在最早的MATF达到保护区的总宽度；如果转弯点保护区总宽度等于或小于最早的MAPt的保护区宽度，则在复飞航迹两侧进行15°的扩张，直到SOC，连接在SOC和最早MAPt、最晚MATF的保护区宽度。

基本GNSS复飞保护区应从最后进近保护区在MAPt纵向容差最早点的宽度开始，由26于GNSS接收机显示灵敏度从0.6KM（0.3NM）开始下降，在MAPt固定容差区最早点之后，保护区在复飞航迹两侧从±1.85KM（±1.00NM）以15°扩张至±9.26KM（±5.00NM）。

3.3.5 APV或气压垂直导航

精密进近程序（APV）可以采用两种方式提供最后进近垂直引导，一种方式是基于SBAS提供的高程信息，另一种方式是利用气压高度表提供高程信息。中国民航所有机场，如果实施APV进近，均采用气压垂直导航（Baro-VNAV）。中国民航所有RNP APCH和RNP AR进近程序，均是使用Baro-VNAV的APV类精密进近程序。

Baro-VNAV是一种导航方式，利用规定的垂直径角（VPA通常3°）计算出的垂直引导信息，提供给自动驾驶仪或者飞行员。区域导航计算机或者FMC求得的垂直引导基于气压高度，由从跑道入口参考点处得RCH开始至最后进近定位点（FAF）的垂直航径角来确定。

APV程序使用DA/H而不是MDA/H，使用类似于ILS的障碍物评估面，但其所基于的是特定的水平引导系统。Baro-VNAV是一种垂直导航（VNAV）模式，程序必须耦合水平导航（LNAV）模式。

设计Baro-VNAV程序包括三步：确定垂直下滑角（VPA）和最后进近面（FAS）；建立APV-OAS；根据穿透APV-OAS的障碍物计算OCA/H。

如果有穿透目视保护面的的障碍物，则不公布Baro-VNAV程序。航空器必须具有进近运行资格的VNAV系统，能够及时切换到确定的复飞航迹引导，并具有LNAV系统，具有合格的总系统误差（TSE）控制能力。

（1）APV航段

Baro-VNAV程序的APV航段与跑道中线延长线对正，包括着陆的最后下降航段和复飞的起始、中间和最后航段。

APV－OAS的起点为最后进近点（FAP），位于垂直航径与此前航段的最低规定高相交的位置。FAP在入口前不超过19KM（10NM）。APV OAS的终点为MAHF和MATF中的最早者。LNAV的FAF和MAPt主要用于确定保护区和面的几何结构，程序设计完成后，相关LNAV程序的FAF和MAPt只用于数据库编码。

OAS面由FAS、水平面、中间和最后复飞面组成。FAS从入口高度开始，在入口之前垂直航径的高达到入口以上进近超障余度（MOCapp）的位置再平移556m（ATT）的纵向距离为起点，按照规定角度延伸到标称FAP +ATT。

最后复飞面是从能获得并保持50mMOC的第一个点开始，以入口平面距入口Xzf处为起点至APV航段终点结束的一个面，标称梯度为2.5%。

（2）根据进近和复飞障碍物确定OCH

用最高进近障碍物的高加appMOC，确定最后进近、起始和中间复飞航段的OCH。重新计算穿透最后复飞面的障碍物的当量进近障碍物高，并确定这些障碍物的OCH。如果这个OCH高于此前计算得到的OCH，则调整转弯或等待定位点的位置，或者将OCH增加到最新计算得到的值。

基于气压辅助垂直导航的PBN程序（Baro-VNAV APV），最大的缺点是进近下滑道随温度变化而变化。可以这么说，如果每次进近的温度不同，在同一机场同一RNP进近程序进近，即使PFD上的航向道和下滑道都居中立位，但实际下滑道都不同，可能看到的PAPI灯光也不相同。为了克服这一问题，在所有基于气压高度辅助的RNP进近图上，均要限制运行温度，尤其是低温的限制。

鉴于PBN技术目前仍然是一项正在发展并有待完善的航行新技术，同时本人水平有限，在论文中难免有不正之处或者有待改进的地方，请专家和读者批评指正，本人将虚心接受并加以改正。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.019