基于性能的导航（PBN）技术及其在军航空管系统中的应用策略研究

朱晓辉，张鹏，顾晓东

（1 北京航空航天大学电子信息工程学院，100091; 2 国家飞行流量监控中心，北京 100094)

0 引言

国际民航组织（ICAO）提出的全球空中交通管理运行概念[1]的根本目标是建立一个一体化的、协调的和全球可互用的空中交通管理系统。作为空中交通管理系统基础技术之一的导航技术，其发展水平直接影响着航空运行和空中交通管理的安全和效率。随着航空活动的持续增长，其对空域容量的需求也在不断增加，为了进一步提高空域资源利用率和运行效率，解决传统陆基导航模式对地面导航台过度依赖导致空域拥挤和航班延误等问题，区域导航（Area Navigation，RNAV）和所需导航性能（Required Navigation Performance，RNP）的概念和技术应运而生，但由于不同国家和地区在应用和发展这些技术时，纷纷制定各自的技术标准、性能规范和应用要求，对航空公司的全球运营和航空制造业的发展带来不利影响。为此，ICAO在整合不同国家和地区RNAV和RNP运行实践和技术标准基础上，提出了基于性能的导航（Performance Based Navigation，PBN）概念，发布了《基于性能的导航手册》[2]，用以规范RNAV、RNP的命名和技术标准等，并在2013年发布的第4版《全球空中航行规划》（GANP）[3]中将 PBN 列为实施该规划的最高优先级任务。

1 PBN相关概念及其关键技术

空域概念给出了空域内运行的概要和预定框架，可以根据通信、导航、监视/空中交通管理（CNS/ATM）设想包含实际空域结构及其用户的具体细节，如空中交通服务航路结构、最小间隔、航路间距和超障裕度等。PBN概念由RNAV和RNP发展而来，是空域概念的支持手段之一。在空域概念内，PBN要求受到通信、监视和空中交通管理环境、导航基础设施，以及为满足空中交通管理应用所需功能和运行能力的影响。

1.1 区域导航

RNAV是允许航空器在相关导航设施的信号覆盖范围内，或机载自主导航设备能力限度内，或在两者配合下，沿任意所需航迹飞行的一种导航方法[2]。在实际应用中，RNAV不仅是一种导航方法，还涉及航路结构和空域环境。传统陆基导航模式下，航路航线的起点、转弯点、终点都选定为导航台，航空器只能逐台飞行；而在区域导航模式下，航路点可以选择导航台、地标位置点和具有精确经纬度的位置点，飞行时可以按航路点逐点飞行，也可以越点飞行，易于建立临时绕飞、平行偏飞、等待航线等，可以缩短航程和提高空域使用的灵活性（如图1所示[4]）。

图1 RNAV导航示意图

RNAV的定义强调“是一种导航方法”，即实施RNAV必须掌握航空器实时的经纬度坐标，也就是RNAV依靠航空器的绝对位置导航。RNAV系统将来自传感器（如：大气数据、惯性参考、雷达导航和卫星导航）的信息，以及内部数据库的输入数据和机组人员输入的数据进行综合处理，以实施导航、飞行计划管理、引导和控制、显示和系统控制等功能，通过可重复和可预测的航径定义，提供适合于应用要求的特定导航精度水平。典型的RNAV系统由导航传感器、导航系统控制、RNAV计算机、显示器和飞行控制系统组成，其中RNAV计算机是系统的核心部分，实现导航数据库、飞行计划处理、导航计算和路径转向/速度控制等功能，系统组成如图2所示[2]。

图2 RNAV系统组成示意图

1.2 所需导航性能

RNP是航空器在一个确定的航路、空域或区域内运行时，所需要的导航性能精度（RNP类型）。因此，RNP对航空器和空域都有相应的要求，其概念有一个重要特征，就是根据运行情况来具体决定某一空域或飞行程序所需的导航性能水平，由运行要求来确定 RNP程序的要求，而不是根据某一特定导航系统的性能来确定。RNP类型是用相应的精度值来表示的，精度值是受到导航源误差、机载接收误差、显示误差和侧向的飞行技术误差等影响，要求机载平台在其 95%的飞行时间内侧向和纵向总的系统误差必须小于规定的 RNP精度值。如“RNP1”是指在 95%的概率下，在指定的飞行航迹上飞机必备的导航精度在1海里以内，如果航空器偏离了预计飞行航迹，则FMS自动发出告警。

RNP系统是具有支持机载性能监视和告警能力的RNAV系统。该能力的具体要求包括：可靠地、可重复地和可预测地沿规划的地面航迹（含曲线航迹）飞行的能力；在通过垂直剖面实施垂直引导时，使用仰角或规定的高度限制来确定所需垂直航径[3]。在具体实现时，根据系统的安装、结构和布局的不同，可以采用不同的形式提供性能监视和告警功能，包括：显示和指示所需和预计的导航系统性能；未能达到 RNP要求时，对系统性能的监视和向机组人员告警；按设置的 RNP显示侧向航迹偏差，并与独立的导航完好性监视和告警相结合。图3为RNP类型定义示意图。

图3 RNP类型定义示意图（以RNP1为例）

图4 PBN构成要素和各类利害攸关方的关注要点[2]

1.3 基于性能的导航及其优势

PBN是以沿空中交通服务航路运行、实施仪表进近程序或在指定空域运行的航空器性能要求为基础的区域导航。PBN概念明确了在特定空域概念下实施运行对航空器RNAV系统的精度、完好性、可用性、连续性和功能性等方面的性能要求，标志着由基于传感器导航向基于性能导航的转变。

PBN概念有三个核心要素：导航设备基础设施、导航规范和导航应用（如图 4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，以及可选用于满足性能要求的导航传感器和设备，是各国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）；导航应用则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。

导航规范是一组对航空器和机组人员的要求，以满足规定的空域概念下导航应用的需要。PBN导航规范分为RNP规范和RNAV规范，两者的主要区别在于机载性能监视和告警要求。包含机载导航性能监视和告警要求的称为RNP规范，无这类要求的则为RNAV规范。这些规范不仅规定了RNAV系统的性能要求，还包括系统的功能要求，如执行曲线航径程序或航路平行偏置飞行等的能力。实施基于性能的飞行运行不仅需要 RNAV系统提供的各种传统功能，还可能需要特定功能以改善程序、空域和空中交通运行，包括建立固定半径航径、旁切转弯、RNAV或RNP等待程序及侧向偏置等。图5给出了将RNAV规范和RNP规范应用于空中交通服务航路和仪表程序的示例[2]。

图5 将RNAV规范和RNP规范应用于空中交通服务航路和仪表程序的示例

图6 过程2：确定用于实施的ICAO导航规范

与传统的导航方式相比，PBN的优势主要体现在以下几个方面：

（1）优化飞行路径，缩短飞行时间，可减少温室气体排放和降低噪声等环境污染；

（2）增加进离场程序定位点，可提高终端区交通流量；

（3）精确引导可缩小航空器运行间隔，提高空域容量；

（4）减少陆空通话和雷达引导需求，降低飞行员、管制员的工作负荷，可提高飞行安全裕度；

（5）解决受地形影响的复杂机场运行问题；

（6）降低导航系统和基础设施投入和运行成本，提高整体运行效益。

2 PBN的应用概况

PBN是飞行运行方式的重大变革，将航空器的机载设备能力与卫星导航及其他技术结合起来，涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，提供了更加精确安全的飞行方法和更加高效的空中交通管理模式。ICAO第36届大会要求各成员国在2009年完成PBN实施计划，确保2016年之前，以全球协调一致的方式过渡到PBN运行。

2.1 实施路线图

实施 PBN一般分三个过程进行，其顺序和主要工作包括：

过程1：确定要求。通过空域概念确定PBN战略和运行要求。评估国家或地区的机队装备和通信、导航、监视/空中交通管理基础设施，并确定导航功能要求。

过程2：明确用于实施的ICAO导航规范。说明如何确定ICAO导航规范的实施是否达到了空域概念的各项目标，是否提供了所需的导航功能，以及是否支持了由过程1中确定的机队装备和通信、导航和监视/空中交通管理基础设施。如图6所示[2]。

过程3：规划与实施。为规划和实施提供指导，使导航要求可转化为具体实施。如7所示[2]。

图7 过程3：规划与实施

美国在2003年公布了PBN路线图，旨在确定美国向 PBN系统过渡的政策，为航空界的业务发展提供指南，并于2006年推出其第二版PBN路线图，其中明确在2015年前后，在FL180及以上航路阶段的空域全面实施区域导航，FL290及以上航路阶段的空域实施 RNP-2；在 35个合作机场的终端区实施 RNAV的进离场程序；2025年，全美大陆实施RNAV，在终端区繁忙机场实施RNP。澳大利亚于2009年6月宣布，RNP程序将在未来5年覆盖全国 28个主要机场；欧洲单一天空计划项目（SESAR）计划通过更有效的PBN运营，减少10%的CO2排放，同时降低机场周边区域的噪音污染；阿根廷、玻利维亚、巴西、智利、厄瓜多尔、委内瑞拉和乌拉圭根据PBN路线图发布了在2010年11月18日实施RNAV5的航行资料汇编[5]。截至目前，美洲、欧洲、亚洲、澳洲许多国家和地区都已完成PBN实施计划或实施路线图的制定，并正在加紧PBN的实施工作。

中国民用航空局结合我国实际情况，为确保民航RNAV和RNP运行与PBN概念保持一致，于2009年10月发布了《中国民航基于性能的导航实施路线图》[6]，明确了我国民航在 2009年到2025年间实施 PBN的政策、总体目标、关键任务和时间表，分近期（2009-2012，实现PBN重点应用）、中期（2013-2016，实现 PBN 全面应用）、远期（2017-2025，实现PBN与CNS/ATM系统的整合）三个阶段实施，为民航当局、航空公司、空管部门和机场实施 PBN运行提供指导，促进全球标准统一和国际合作。但该规划只涉及民航相关内容，且未就实施中的军民航协调问题进行明确。

2.2 规章标准

PBN规章标准是推进和实施PBN的根本基础，涵盖机载设备标准和航空器适航资格、人员（飞行、机务、签派、空管）培训、运行程序、审定标准、监督检查、空管指挥、飞行程序等各个方面。中国民航在推进PBN实施的过程中，本着“规章先行、照章运行”的原则，参照ICAO的PBN技术标准，先后制定并发布了相关咨询通告，主要包括：《RNAV5运行标准指南》、《在航路和终端区实施RNAV1和RNAV2的运行指南》、《在终端区和偏远地区空域实施RNP4运行批准指南》等，并将逐步建立完整的规范标准体系。

2.3 空域规划和飞行程序设计

PBN的实施同样需要与之相对应的空域规划和飞行程序。建立与之配套的 PBN空域规划能力和飞行程序设计能力，为航空公司和机场设计PBN飞行程序，提供飞行程序验证和质量控制，是以民航当局为主开展 PBN实施的主要前期工作。在规划与实施 PBN的过程中，验证空域概念的安全性（过程3之步骤2）是其中的重要环节，通常根据空域的复杂程度，分别采用空域建模、快速仿真、实时仿真和空中交通管制实况演练来验证和评估运行程序。

从2001年开始，飞经我国西部L888航路开始采用 RNP4运行，2006年在拉萨贡嘎机场建立了RNP AR运行能力。截止2012年6月的统计数据，在拉萨、林芝、丽江、邦达、阿里、玉树、延吉、黄山、西宁等西部高原机场和一些特殊机场已建立了RNP AR程序；为解决首都北京、广州白云、上海虹桥、上海浦东、深圳宝安等机场的流量问题，先后实施了RNAV 1运行；为解决非精密进近的安全性问题，在绵阳、固原、三亚、鄂尔多斯、海拉尔、达州、温州等机场实施了RNP APCH运行[7]。今后，将持续推进相关空域规划和飞行程序设计，使得在航路、终端区和进近等所有飞行阶段以PBN运行为主，使用PBN技术重新规划整体航路结构，将传统航路全面过渡到PBN航路。

2.4 导航数据库

所有 RNAV应用都使用航空数据来定义陆基导航设备、跑道、登机口、航路点及航路航线和飞行程序。无论是RNAV还是RNP导航规范，在飞行中都必须依赖导航数据库。对于 RNP APCH和RNP AR这样的高等级PBN飞行程序，对导航数据库的精度和完好性的要求都很高，配合采用高精度的卫星导航，才能保证小 RNP值运行时的飞行安全。导航数据库的安全性取决于数据的精确性、分辨率和完好性；数据的精确性取决于数据生成期间的处理方式；分辨率取决于数据最初生成时和后续处理期间采用的程序，包括国家对数据的公布政策；数据的完好性取决于从生成到使用的完整的航空数据链条，该链条表示一套或一组航空数据从最初生成到最终使用经历的过程，主要构成部分如图8所示，包括数据来源、数据收集者、数据发布者、数据提供者和数据用户。

2.5 导航基础设施

ICAO附件10中定义，“传统的导航系统”包括在引入GNSS之前使用的陆基无线电导航设施，主要包括：NDB、VOR、DME、ILS（仪表着陆系统）等；GNSS为包含一个或多个星座，能够提供定位、测速和授时服务的卫星导航系统，当前包含GPS、GLONASS、伽利略、“北斗二代”及其增强系统。我国民航的传统导航设施主要集中分布在东部地区，西部地区覆盖不完全。

图8 航空数据链条示意图

在从传统导航向 PBN导航过渡中，中国民航将GNSS作为PBN运行的主要依靠，具体为：将GNSS作为海洋和偏远地区RNP运行的主用导航手段；近期将GNSS在陆地航路、终端区、非精密进近和着陆阶段的辅助导航手段，中期和远期将逐步过渡为主用手段；完善进行GNSS卫星信号完好性监视；在部分机场建设陆基差分增强系统，实现GNSS着陆系统（GLS）进近。同时，考虑运行的安全性和可靠性，还将保留陆基导航设施，并对相关区域的陆基导航设施进行补充建设和调整，在一定时期内与GNSS共同使用，作为GNSS应用的备份。具体为：保持 VOR最小运行网络，以支持最顶航路结构和传统仪表飞行程序，提供备份导航手段；根据需求保持和完善DME/DME冗余网络，以支持传统仪表飞行和区域导航飞行；把ILS作为机场着陆的主要导航设施，完善布局和建设；除非特殊情况不再新建NDB。

2.6 机载设备

ICAO PBN导航规范规定了航空器所需的通信、导航、监视（CNS）能力，这些能力要求如表1所示。航空公司必须确保其航空器安装了民航当局规定的满足PBN运行的相应航空电子设备。

表1 不同PBN规范下航空器所需的CNS能力

中国民航实施 PBN需要对一些航空器进行相应的设备改装，这些改装是通信、导航、监视（CNS）技术发展的重要组成部分。根据相关统计显示，目前我国民航现役运输机队具备的 PBN能力的比例为：82%具备RNAV 1能力，99%具备RNAV 5能力，78%具备RNP 10能力，56%具备RNP 4能力，71%具备基本RNP 1能力和RNP APCH能力。民航局要求的机队改装基本原则是：RNP APCH能力是必备能力，RNP AR能力是选装能力；改装费高的老旧飞机不需要改装。

3 PBN技术在我国军航空管的应用策略

根据《芝加哥公约》（即《国际民航公约》）相关条款（Article 3a和3b），虽然ICAO的相关规章和标准并不适用于国家航空器，但在Article 3d中又从保证民用航空器飞行安全角度，要求签约国对其国家航空器制定相关规章。面对当前国际国内发展形势和任务需求，我国军用航空器全球到达的要求日益迫切，要使军用航空器能够在国内航行飞得顺、执行国际任务飞得出，需要把军事作战需求与技术推动结合起来，统筹搞好新一代空管系统总体设计和规划论证，按职能任务做好分工协作，全面提高军事航空的综合能力水平。

3.1 修订完善现有发展规划

国家空中交通管制委员会于 1998年制定颁布了《我国发展新航行系统总体规划》，确定了我国发展通信、导航、监视和空中交通管理系统的总体目标、技术路线和发展步骤，其中明确军航新航行系统建设“既要充分利用新航行系统的先进技术，保持军民航空管系统协调发展，又必须建立相对独立的防空和空管有机结合的通信、导航、监视手段，确保我军空管系统的安全运行。”美国在实施 PBN时积极与其下一代航空运输系统（NextGen）相关业务集成、协同整合；欧洲也将其 PBN计划整合到“欧洲单一天空”计划项目（SESAR）中。我国在实施 PBN时也要与新一代航空运输系统充分整合，加强GNSS完好性评估，注重与通信、监视及其它相关新技术的融合，抓紧修订颁布新版总体规划，制定完善过渡计划，为军民航空管体系建设发展和适应PBN运行需求指明方向。

3.2 优化调整空域规划

PBN运行的基础是PBN航路和PBN飞行程序。由于 PBN技术可大大降低对地面导航设施的依赖，航路划设和飞行程序设计更加机动灵活，更加有利于灵活使用空域的开展；现有宽度不小于20km的航路，加上两侧的10km保护区，均具备按照RNAV 2规范划设2条平行航路的基础条件，可有效提高空域容量；将现有临时航线（均相当于CDR3级）提升为CDR1或CDR2级的条件航线，既可以使民航能够及时有效地利用闲时的军航训练空域，又使军航执行相关任务需临时使用航路和相关空域时，民航能够利用条件航线实施避让绕飞。因此，进行空域规划时，一方面要深化研究航路航线网络布局，规划调整好航路结构，有计划的新辟PBN平行航路，与现有ATS航路互为补充，改进空中交通网络；一方面要加强军民航协调，制定和修改相应的程序以满足军民航的空域需求，充分利用 PBN技术优势，提高空域资源利用率，减少因空域容量不足实施流量控制引起的航班延误。

3.3 建立PBN装备和标准体系

军航要全面有效的实现PBN运行，涉及作战、空管、通信、装备、后勤等多个领域的多个部门，需要在统一认识的基础上，对实施 PBN技术进行全面的安全评估，通过需求对接、技术对接、方案对接、标准和数据对接，综合形成新机研制和现有飞机改装的需求，搞好机载设备的有机融合和地面指挥控制系统的有机整合，充分利用我国自主的“北斗”卫星导航定位系统，建立军航 PBN装备体系和标准体系。尤其是对于大型运输机等新型号研制项目，在研发阶段就应保持与全球PBN同步，确保在未来应用阶段能满足 PBN运行要求。同时还应加强国际协调，积极参与各利益方的相关程序的制定和修改，保持与全球PBN标准的统一。

3.4 提升系统能力水平

与大多数国家一样，我国军航的装备体系和运行体系与民航存在较大差别，尤其是小型作战飞机，实施 PBN都要面对大量的现役飞机、狭小的座舱空间、迥异的系统结构与设备接口、漫长的采购周期等难题。我国现有的军民航空管自动化系统，均是按照传统导航规范、间隔标准和运行规则设计研发的，在实施 PBN运行时，将会遇到基础数据不匹配、飞行冲突探测与告警规则需调整、空域运行容量值和经验值缺失等问题，需要针对性开展适应性调整改造与验证评估，确保运行安全。为此，需要相关各方统筹布局，针对不同作战用途和运行需求，分类协同抓好机载设备集成化设计和研制定型，为不同程度的满足 PBN运行需求打好装备基础；在组织新一代军航管制中心系统建设时，需将PBN相关运行规则和标准规范纳入建设需求，实现一体化设计。

3.5 健全机载导航数据库

目前，民用航空器的机载导航数据库均采用ARINC-424标准，每28天（4周）更新。由于数据的准确性直接影响飞行安全，每一版本的导航数据库必须经过严格的检查和验证方可使用。军航空管系统尚未建立机载导航数据库标准，且相应的数据更新、校核、审验和发布机制也不够健全。当前，需要由相关主管部门牵头，研究建立独立完善的工作流程，制定规范详细的导航数据库管理程序，确保导航数据精确、完备、有效，防止出现偏差。

4 结语

PBN技术作为一项全球推广的新技术，具有明显的运行优势，是我国健全完善国家空域系统的关键技术，在一些空域和机场已经取得了显著的运行效益，能有效提高运行安全，增加空域容量，减少地面导航设施的投入，提高节能减排效果。我国民航已经按照《中国民航 PBN实施路线图》积极推进 PBN实施，并将于近期对路线图进行修订，以符合ICAO第四版PBN手册的要求，匹配新的运行概念和应用技术。军航已经在前期新航行系统论证与验证的基础上，启动 PBN相关运行体系和装备体系的研究论证，相信随着中国“北斗二代”卫星导航系统的逐步实施，必将对 PBN技术的全面推广产生巨大的推动力，更好地为军事航空的任务达成提供有力保障，为民航运输系统的安全性、经济性保驾护航。

[1]ICAO Doc9854-AN/458.Global Air Traffic Management Operational Concept[S].Montreal: ICAO, 2005.

[2]ICAO Doc9613-AN/937.Performance Based Navigation Manual [S].Montreal: ICAO, 2008.

[3]ICAO Doc9750-AN/963.Global Air Navigation Plan[S].Montreal: ICAO, 2013.

[4]王党卫.基于性能导航（PBN）技术研究[J].现代导航,2013, 1:5-10.

[5]程擎, 杨荣盛.全球实施 PBN最新进展及对我国的启示[J].中国民用航空, 2010, 112(4): 60-62.

[6]中国民航基于性能的导航实施路线图[S].北京:中国民用航空局, 2009.

[7]杨洪海, 张光明.中国民航 PBN发展战略及实施现状[J].中国民用航空, 2010, 120(12): 19-22.