直升机PBN目视飞行程序研究

梁 新

（中国国际航空股份有限公司西南分公司成都飞行部，四川 成都 610202）

直升机是以动力驱动的旋翼作为主要升力和推进力来源，能垂直起落以及前后左右四向飞行的旋翼航空器[1]。直升机因其特殊的飞行原理和机动特点,在飞行程序中与传统的固定翼飞机飞行程序存在着一定的差异，直升机作业时主要采用传统目视飞行方式进行工作。传统的目视飞行程序即为在可见天地线、地标的天气条件下，以目视判明航空器飞行状态和方位的飞行程序[2]。国内民航业内，基于性能的导航(PBN：Performance Based Navigation)技术已被广泛应用,但在通航中的应用率却近乎为零。通用航空发展的巨大潜力和我国对其的需求，要求我们不断地提高导航能力，这与未来低空开放后的快速发展是契合的。

1 国内外研究现状

我国通航对先进目视进近程序设计及运行规范的研究很少，主要集中于对目视飞行气象条件和空中实施条件的描述，极大的限制了我国通用航空飞行的飞行作业量和发展。在低空空域即将开放的背景下，对于直升机先进目视飞行程序的设计和运行规范的研究都是必要的。近年来我国各通航公司所购置的如EC120、EC135、S76、592、Bell407、Bell429等机型均配置了导航管理系统等航电设备,其现有的导航能力和导航设备即可以满足基于GNSS的飞行程序。因此在低空开放后或者直升机场具有PBN程序能力之后，可以直接开始运行。航空器的飞行程序是需要精确的引导的，但以全球定位系统（GPS：Global Positioning System）作为导航源的GNSS程序在某些方面并不能达到要求。在通航产业发达的美国，最新的8260.42B文件中就公布了基于WAAS增强的直升机飞行程序规范。广域增强系统(WAAS:Wide Area Augmentation System)是根据美国联邦航空局(FAA：Federal Aviation Administration)导航需求而建设的GPS性能增强系统,由若干已知点位的参考站、中心站、地球同步卫星和具有差分处理功能的用户接收机组成[3]。美国WAAS系统由3个主站(兼参考站)、25个参考站、1个上行注入站和1颗地球同步卫星组成,覆盖北美和墨西哥周边地区。使用了WAAS后，直升机飞行程序具有更窄的保护区和超过传统仪表程序的精度，并能提供垂直引导，构造成为三维的飞行程序。

2 基于GNSS的直升机PBN飞行程序设计特点

在我国，直升机飞行程序正处于初步发展阶段，采用传统的目视和仪表飞行程序，而基于PBN的目视飞行在直升机上的应用几乎没有。在直升机场的运行方面，发展也较为缓慢，大型的直升机场只有一套传统仪表进近程序，而对于小型直升机场来说，只有简单的目视程序。传统的飞行程序设计受到地形的限制，飞行程序的保护区宽度与距离导航台的位置有关系，当距离导航台比较远时，导航的精度会降低，随着导航精度的降低，影响飞行安全的障碍物数量也会相对增加[4]。这对于工作环境恶劣，经常于近海和山区执行飞行任务的直升机来说无异于是雪上加霜。由于传统的飞行程序需要管制员进行大量的思维活动，调配飞机避开潜在的飞行冲突，而且需要大量的陆空对话，这在给管制员带来巨大的工作负荷的同时，也增加了危险的系数。因此，选择适合直升机的先进飞行程序，是有百害而无一利的。

以航空器通过航路点的方式可以将飞行程序中的定位点分为旁切航路点和飞越航路点两类[5]。旁切航路点是指要求在到达该点之前进行转弯以使飞机切入下一段航路或程序段的航路点；而飞越航路点是指为加入下一段航路或程序而飞越该点开始转弯的航路点。与传统程序因导航设施位置和性能而产生的误差不同，PBN航路点的定位容差区只由导航性能决定，而与环境无关，通过飞跃航路和旁切航路点的不同，可以考虑以下几种设计方式：前后两个点都是旁切航路点，如图1所示。

图1 双旁切航路点

旁切航路点在前，飞越航路点在后，如图2所示。

图2 旁切至飞跃航路点

前后两个航路点都是飞越航路点，如图3所示。飞越航路点在前，旁切航路点在后，如图4所示。

图3 双飞越航路点

程序设计中，应考虑在两个航路点之间的最小稳定距离。如果两个航路点相隔过近，航空器就有可能在机动飞行中错过航路点。每一个航路点都要确定一个最短转弯距离。连续的两个航路转弯点之间的最小距离是两个航路点的最小稳定距离之和。在此仅对和本文设计相关的旁切航路点稳定距离进行介绍。旁切航路点的最短稳定距离分为L1和L2两个部分，有公式

其中V为航空器的真空速，r为航空器的转弯半径，θ为转弯角度。

根据转弯的类型、转弯角度和飞行航段的区别，飞行转弯分为在一个转弯点（TP）转弯、在指定高度/高（TA/H）转弯以及固定半径（RF）转弯。

在一个转弯点转弯可能是在一个飞越航路点或是一个旁切航路点，根据转弯角度和飞行航段的不同，应使用两种不同的转弯保护区构成方法：风螺旋线/边界圆法以及圆弧法。在IAF或IF转弯大于 30°或在FAF 转弯大于10°时使用风螺旋线/边界圆法；在IAF或IF转弯小于等于30°以及在FAF转弯小于等于10°时使用圆弧法。

程序设计中符合在IAF或IF转弯大于30°的条件，所以对风螺旋线画法/边界圆的绘制方法进行介绍：风螺旋线/边界圆绘制转弯保护区的基本参数以及影响绘图的变量参数有高度、风、IAS、转弯坡度以及飞行技术容差。其中用于转弯设计的参数计算方法有：

1)以度为单位的转弯率（R）计算公式

图4 飞越至旁切航路点

2)无风条件下按指定坡度转弯的转弯半径（r），以千米或海里为单位。给定 R值时转弯半径可通过下列公式得到：

3)转弯θ角度所用时间风的影响（Eθ）。

因为在采用风螺旋线的方法中，保护区应以转弯半径为基础划设。转弯半径（R）根据特定的真空速值（TAS）和转弯坡度（tanα）计算得到。而转弯区外边界用风螺旋线进行设计，该风螺旋线源于转弯半径。风螺旋线通过在理想飞行航迹之上增加风的影响 Eθ得到,有公式：

图5、图6为设计程序中的保护区划设规范。

根据以上要求，基于GNSS的非精密程序形成了两侧有偏置起始进近航段，中间为直线进近的T型或者Y型程序布局。

3 基于GNSS的直升机PBN进近程序运行特点

图5 在旁切航路点转弯

图6 在转弯点保护区的融合

图7 T型GNSS进近程序布局

直升机的仪表进近程序是直升机根据飞行仪表提供的方位、距离和下滑等信息，对障碍物保持规定的超障余度所进行的一系列预定的机动飞行程序[6-8]。这种飞行程序是从规定的进场航路或起始进近定位点开始，到能够完成目视着陆的一点为止。仪表进近程序应包括进场程序段、进近程序段和复飞程序段。特别需要注意的是，航空器的性能差异将直接影响实施一定的机动飞行所需的空域和能见度，并且影响飞行程序的各项参数。航空器的性能上最重要的因素是空速。固定翼航空器的分类就是根据航空器允许的最大着陆重量在着陆形态的失速速度的 1.3 倍确定的。但是以失速速度确定航空器分类的方法不适用于直升机。直升机作为飞机运行时，可作为 A类飞机分类。但对供直升机使用的专用飞行程序应标明“H”，不能在直升机/飞机共用飞行程序的同一张仪表进近图上公布。直升机专用程序的设计使用A类飞机的常规作法和实践方法。虽然某些准则如最小速度和下降梯度等有所不同，但使用原理相同。对A 类飞机程序设计的规范同样用于直升机程序。

4 基于GNSS的直升机PBN飞行程序的优越性

直升机的传统进近程序与固定翼航空器一样，是基于地面导航台提供的导航信号，依赖对台背台飞行。这种飞行方式由民航发展而来，是现阶段最为成熟的飞行程序。传统程序适用范围广，工作性能可靠，具有模式化的优点。但缺点显而易见，飞行航路非常依赖于地面导航台的地理位置。经常在山区和海面等特殊环境工作的直升机无法满足这样的条件。同时传统程序的航路较长、超障的保护区较大，对于机动能力强，但受制于航程的直升机来说经济效益和工作效率都是有负效果的。

相对于传统程序，基于PBN的飞行程序充分利用直升机机载设备和性能，沿着期望的航迹飞行。所以直升机可以充分发挥机动能力强的特点，更高效的完成飞行程序。由于该程序依靠于导航信号的覆盖，所以对于传统地面设施的要求较低，这对于直升机恶劣的工作环境是有利的。但是在我国北斗导航设施尚未建成，其他国各自对应的导航增强系统不适用我国的情况下，短时间内我国不能达到高精度的基于PBN的程序要求。所以传统的导航设施能提供更高精度的程序。但是随着我国低空的逐步开放，以及对应导航设施的完善，基于PBN的程序将逐渐成为直升机飞行程序的主流。

5 结论

随着我国低空的逐渐开放，通用航空飞行量必然会迎来井喷式增长。而作为通航主体的直升机必将大量的参与到飞行任务中去。通过借鉴西方发达国家经验，选择符合中国国情、适合直升机的性能、减少管制员压力的先进直升机飞行程序是顺应通用航空发展的必须工作。本文首先通过分析各国先进直升机飞行程序，甄选符合直升机性能特征的PBN飞行程序，给出了符合我国国情和满足我国通用航空未来发展的直升机进近程序方案。随后对直升机传统仪表进近程序和基于GNSS的进近程序的规范参数进行了比较，体现出了PBN程序的优越性。

虽然基于GNSS的直升机非精密进近程序精度已经与传统的仪表进近程序接近，但是GPS的可靠性和精确度并无法满足直升机对于飞行程序的要求。但西方各国已经采用或者测试有增强系统的基于GNSS的直升机飞行程序，增强系统所提供的垂直引导大幅增强了导航精度，缩减了飞行保护区，提供垂直引导。本文由于篇幅有限，未能分析我国基于北斗系统的增强系统的发展，直升机飞行程序将有怎样的变化。但随着我国北斗系统的建设完成，有增强系统的PBN直升机精密飞行程序的设计将走上日程，成为我国通用航空发展的坚实基础。

[1] FAA. US St andard for Helicopter (RNAV |8260.42 REV B-2009|)[Z]. 2009-03-10.

[2] ICAO , Aircraft Operations Volume II Construction of Visual and Instrument Flight Procedures (Doc8168) [Z]. 2014-04-11.

[3]中国民用航空局.运输类旋翼航空器适航规定(CCAR-29-R4)[Z].北京:中国民航局.2002.

[4]刘渡辉.我国区域导航航路和进离场程序设计方法研究[D].成都:西南交通大学.2006.

[5]宋炜琳,谭述森.WAAS技术现状与发展[J].无线电工程,2007,(6):50-52.

[6]杜娟. 星基增强系统互操作及其关键技术研究[D].北京：中国科学院研究生院,2015.

[7]张俊俊. 遂宁机场PBN飞行程序设计与评估[D].广汉：中国民用航空飞行学院,2012.

[8]赵巍巍. 绵阳机场目视飞行程序研究[D].广汉：中国民用航空飞行学院,2009.