助力民航運輸跨越式發展 探究PBN技術優勢

摘 要 作為空中交通管理系統三大技術之一的導航技術，一直是影響民航運輸發展的關鍵要素。國際民航組織最近提出了新的“空域概念”，包括了通信、導航、監視和空管系統等基本要素。作為其中關鍵要素之一的導航，其發展水平一直制約著飛行和管制的安全和效率。隨著民航業的迅猛發展，空中交通流量與日俱增，傳統的陸基系統導航模式由于對地面導航臺的過度依賴而越來越成為民航運輸發展的瓶頸。在此前提下，區域導航技術（RNAV）和所需性能導航（RNP）技術應運而生，并逐漸顯示出自身的優勢。隨著新疆工作會議的召開，新疆的各項發展迎來了前所未有的發展機遇。疆內機場普遍助航設備較落后，PBN技術的引進和廣泛應用將為新疆的民航事業插上騰飛的翅膀。

關鍵詞 基于性能的導航 程序設計 所需導航性能 區域導航

一、PBN概述

1.PBN的產生和發展。在航空飛行中，傳統導航是利用接收地面導航臺信號，通過向臺和背臺飛行實現對航空器的引導，由于航路劃設和終端區飛行程序受地面導航臺布局與設備種類的制約，傳統航路的局限性漸顯嚴重。隨著航空器機載設備能力的提高以及衛星導航等先進技術的不斷發展，一種提高導航精度、縮小間隔余度以便更加充分地利用空域資源、可以不依賴于地基導航設備，使航空器在兩點間沿任意期望的航路點間飛行的區域導航（AREA NAVIGATION簡稱RNAV）技術于上個世紀末應運而生。區域導航（RNAV）技術是整個PBN技術的核心和基礎，在不斷的實踐中，出現了所需導航性能（REQUIRED NAVAGATION PERFORMANCE即RNP）標準，RNP被定義為在運行中同時要求具備機載監視和告警功能，而區域導航（RNAV）不要求具備告警功能，RNP在原先RNAV基礎上充分利用了越來越成熟的GNSS技術，使得該項技術獲得了更高層次的發展和更多類型的選擇。為了統一認識并指導各地區實施新技術，國際民航組織（ICAO）在整合各國和地區RNAV和RNP運行實踐的基礎上，提出了“基于性能的導航（Performance Based Navigation，即PBN）”的概念和標準，作為飛行運行和導航技術發展的基本指導準則。PBN將RNAV和RNP等一系列不同的導航技術應用歸納到一起，涵蓋了從航路到進近著陸的所有飛行階段。其目的是為了充分利用現代航空器機載設備和導航系統，提供全球一致的適航要求和運行批準標準，以此來規范區域導航的命名、技術標準，從而停止非統一技術的擴散及使用，協調、統一RNAV和RNP系統的使用以確保互通，并促進區域導航的全球運用。采用PBN技術，航空器導航性能特點都有明確的性能指標規定，解決了最初各種RNAV和RNP標準問題。PBN著重說明了不同類型航空器需要不同的飛行剖面，這樣才能確保飛行軌跡的持續性、可靠性和預測性，并能減小超障評估區域。

2.PBN的重要構成部分：RNAV和RNP。（1）兩者之間的關系。PBN的最重要組成部分是區域導航和所需導航性能。由此可見，PBN包含了RNAV和RNP的概念，是RNAV運行和RNP運行的統稱。

（2）RNP與RNAV的優缺點。圖1示，傳統導航是飛臺，航路設計依賴于地面導航設備，由于地面設備和記載設備落后，可靠性、精確性差的原因，在程序設計上體現出的是，保護區大，空域限制嚴重，航路容納的飛機量有限，并不容易確定飛機的實際位置。而RNAV是飛經緯度航路點，也就是所謂的GPS點，對地面設備要求較低，但由于設備誤差，RNAV的轉彎計算有誤差，轉彎的航跡保護差，保護區雖然比傳統小，但精度不夠。到了RNP后，隨著飛機設備的改進，RNP可以達到更高的精度，保護區可以更小，導航性能更加理想，最重要的是轉彎可以嚴格控制航跡。實現固定半徑轉彎，也就是程序設計上常說的RF段，即點與點之間的轉彎半徑也是固定的，五邊可以是彎曲的。因為，導航性能已經完全可以達到在RNP限制范圍以內的航跡控制，程序設計就方便、簡單得多，保護區的范圍也可以設置得很小，可根據地形來設計進近程序。因此，五邊可以不是直的。

RNP利用先進的飛行管理系統以及GPS可以讓飛機在狹窄的通道內運行，還可以使程序設計人員和公司更高效的實際運 用空域，以便于利于減噪、避開地形和禁區，保持飛機安全間隔。例如，在水平間隔很近的兩條平行跑道實現同時進場、離場。

（3）RNP與RNAV的區別。RNP是RNAV的一種，是RNAV的擴展，與RNAV的區別是：RNP額外在飛機上裝載了機載導航性能告警和監控系統。RNAV和RNP系統基本是相似的，主要區別在于機載性能監視和告警要求。包含機載導航性能監視和告警要求的被稱為RNP規范，無這類要求的則為RNAV規范。能夠滿足RNP規范性能要求的區域導航系統被稱為RNP系統。

（4）RNP最重要的部分。這部門是飛機導航系統可以監控實際導航性能ANP，不管是在陸地或終端區，ANP一旦等于RNP，機載設備能夠向機組提出告警；這種區別還在于，RNAV運行不需要機組實時監控飛機水平和垂直ANP，但RNP運行，需要機組實時監控；一旦ANP超越RNP，機組要做相應應急程序，脫離RNP APCH。

飛機在航路點之間飛行，RNP加了包容區，可以是1，也可以是5，也可以是0.1，就是600英尺。RNP左右1海里，包容區為2海里，也就是說，控制障礙物在RNP1的情況下，為航路左右2海里。飛機出小圈的概率很小，要小于10的負7次方，也就是0.0000001次/小時。因為飛機導航精度提高，所以，不考慮保護區以外的保護區。（如圖2）

飛機導航性能已經達到了圖3所示的范圍內飛行的能力，感覺飛機飛在一個通道中，航跡是可以被設計規劃的，飛機也可以達到期望的航跡飛行。我們可以看到，水平范圍是2倍的RNP，垂直范圍則是氣壓式垂直導航航跡，精度可以達到正負150英尺。

二、國外PBN技術應用情況

1.美國。美國于1996年在阿拉斯加朱諾機場首先實施RNP進近和離場飛行運行。2001年，美國聯邦航空局曾提出用星基導航取代地基導航的建議。FAA在下一代航空運輸系統（NextGen）的指引下，制定了美國國家空域系統（NAS）過渡計劃，PBN是這個過渡計劃的關鍵部分。

目前，實施RNAV進近和離場的機場包括亞特蘭大、達拉斯沃斯堡、拉斯維加斯、費城、鳳凰城和華盛頓杜勒斯。RNP進近和離場程序目前在美國休斯敦、肯尼迪等數十個機場使用。特別是阿斯彭、棕泉市、華盛頓里根機場等程序機場以及諸如紐約或芝加哥等相距較近的機場群。美國主要的航空公司目前大力投資升級機隊，爭取到2015年在其運營的所有65個機場實施RNP運行。

美國在2003年公布了PBN路線圖，旨在確定美國向PBN系統過渡的政策，為航空界的業務發展提供指南；改進美國國家空域系統設計和空中交通程序，減少空中交通延誤，改善運行效率，提高安全水平；建立運行概念和目標，并確定實施步驟和時間表。

2.澳大利亞。90年代中后期，澳大利亞在海洋和偏遠陸地區域建立了RNP-10航路，2006年建立RNP-4航路。2007年1月，在布里斯班機場實施了RNP進場和離場試驗，即布里斯班綠化項目。此項目運行了15500次RNP程序，包括8000次進近。

目前，澳大利亞有420多個RNAV（GNSS）NPA程序正在運行，兩個主要運營人的兩種機型已在14個機場實施RNP-AR離場（RNP-0.3）、進近（RNP-0.3至0.1，復飛（RNP-0.3）程序。

澳大利亞民航局成立了PBN實施小組（PIT），包括航空公司、機場、空管和政府機構等方面人員參與其中。目前完成了針對APV的技術和成本效益分析研究，將在具備Baro-VNAV能力的飛機所運行的機場，試點Baro-vNAV APV運行。計劃在主要機場廣泛實施RNAV SID和STAR，并將過渡到RNP-1程序；在30個機場實施RNP飛行程序；到2010年底建成大陸范圍的RNP航路網（見圖4）。

3.歐洲。1998年1月29日，歐洲率先實施了BASIC-RNAV（B-RNAV）（基礎區域導航），被認為是航路飛行階段實施區域導航運行的第一步過渡。歐洲RNAV導航技術分為B-RNAV和P-RNAV，計劃在2010年后發展為RNP方式。就側向導航精度而言，B-RNAV相當于RNP5的精度，P-RNAV相當于RNPl的精度，但對于性能方面的要求，RNAV要比RNP的運行要求低。在歐洲空域內航路飛行階段均要求航空器具備B—RNAV的能力，其具體要求為，在考慮各種飛行誤差情況下，航空器95%的飛行時間內必須保持在標稱航跡左右各9.3公里（5海里）范圍內。2004年后，歐洲開始使用P-RNAV技術，應用于終端空域，使終端區設計得到優化，增強了飛行靈活性，提高了空域容量。P-RNAV航路的導航性能精度相當于RNP1，但不等同于RNP1，這要求在考慮各種飛行誤差情況下，航空器95%的飛行時間內必須保持在標稱航跡左右各1.85公里（1海里）范圍內。P-RNAV運行是使用DME/DME、VOR/DME、GNSS、INS/IRS等一種或幾種組合的導航信息源確定航空器的位置，但不包括垂直導航功能。在歐洲的基于性能導航發展規劃中，2010年后主要航路和所有的終端區必須實施區域導航運行，并向3D和4D的區域導航應用發展。

三、PBN在我國的運行

1.中國民航發展概況。中國航空業務市場的增長速度之快，在世界上名列前茅。過去幾年，客運業務量的平均年度增長率超過了15%。按照ICAO對中國航空市場的預測，我國總體客運業務量每年將按5.5%的平均比率增長。截至2008年前，我國已有1434架民航飛機，據預測，在今后10年里，中國民用航空運輸仍將以年均10%以上的速度增長。至2020年，將實現運輸總周轉量1400億噸公里以上，旅客運輸量超過7億人次，旅客周轉量在國家綜合交通運輸體系中所占比重達到25%以上。民航航線網絡將繼續擴大，民用運輸機場數量達到240個以上，同時通用航空機場數量也將大幅增多。在地面交通100公里或1.5小時的車程范圍內，全國80%以上的縣級行政區域能方便地獲得航空服務，所服務區域內的人口數量將達到全國人口的82%以上，至2027年，我國將需要新增3710架新飛機。是全世界最具活力的航空市場。

2.在我國運行PBN的優勢。我國空域VOR信號覆蓋的情況，在8400米高度上，西部覆蓋很少；如果降低高度3300米，覆蓋情況更差，西部，北部大多數都覆蓋不到VOR/DME。在這些地方運行要不就加地面導航，要不就是用GPS導航（見圖5）。

PBN運行的RNP APPROACH，RNP AR APPROACH是一種全新的進近方式，根據中國民航實施PBN運行路線圖，未來中國民航會在大量的山區和邊遠西部機場使用RNP APPROACH，RNP AR APPROACH，是否擁有經過嚴格訓練的飛行機組是該程序安全運行的重要保障。與PBN運行有關的人員包括飛行機組、簽派、機務必須進過培訓。

3.PBN在我國應用現狀介紹。根據PBN導航技術不同的應用領域，目前該技術在我國的各個飛行階段都已經有了實際運用，下面就實際運行效果做簡要介紹。

（1）航路RNP/RNAV航路程序的應用。我國第一條區域導航航路（L888航路）于2001年1月正式投入運行，產生了良好的經濟和社會效益，受到了國際組織的高度評價。近年來，我國民航更是加快了區域導航技術研究和應用的步伐。在西部地區開辟了基于RNP4 的Yl、Y2、Y3航路，與L888航路互為補充，優化了西部地區航路結構。2001年11月1日，三亞責任區正式啟用，按照國際民航組織RNP10標準，我國在三亞責任區洋區新建4條航路：A202、L642、M771、N892，這4條大部分為單向航路。新航路的開辟極大地提高了南中國海北部地區的空中交通流量和飛行的安全性，有效解決了該地區航路不足而阻礙航空運輸發展的不利局面。日前，京滬、京廣兩組RNP2平行航路技術方案研究已經順利完成。京滬平行航路將于近期首先實施。

（2）終端區進離場RNAV程序的應用。早在2003年2月21日，天津濱海國際機場作為中國民航首家實施區域導航（RNAV）試點單位，進行了為期5個月的試運行，順利通過了當時中國民航總局空管局進行的“區域導航飛行程序試驗”的科技成果鑒定。該鑒定也為之后的北京首都國際機場區域導航程序的設計和試運行奠定了良好的實踐基礎。2007年1月18日，在珠三角空域緊張的情況下，廣州白云國際機場率先在全國繁忙機場中開始RNAV程序試運行。3個定制周期共84天的試運行是對空域使用者和管理者區域導航飛行、空管管制理念的一次良好塑造，對于探索和提高RNAV實施飛行、管制的條件、方法和標準，產生了積極的影響。

2009年9月16日，中南空管局空管部會集白云機場空管部門及基地航空公司共同召開廣州白云機場區域導航飛行程序全面實施協調會。決定于2010 年1 月1日正式啟動廣州終端區白云機場區域導航（RNAV）過渡計劃。過渡計劃持續到2010年3 月30 日，在此期間實行傳統程序和RNAV 程序分時段混合運行。到2010年4月8日，廣州白云機場將在全國首個全面實施終端區進離場區域導航飛行程序。

4.RNP進近程序的應用。2005年4月20日，國航西南公司一架波音757-200飛機在拉薩貢嘎機場圓滿通過了RNP導航技術試飛測試。這項新技術的應用，極大地提高了國航在拉薩機場運營的正點率和安全水平，并使40余年來只能單向起飛的拉薩機場具備了雙向起降和夜航飛行的能力。

2006年9月1日，國航西南分公司波音757飛機利用RNP 導航開通成都—林芝航線。使得當時林芝航線航班量從開航時每周一班逐漸增加到每天一班，旺季時達到每天兩班。2009年9月2日上午，國航西南分公司一架編號為B6227的空客A319飛機在西藏林芝米林機場成功實施了RNP 導航技術驗證飛行，結束了成都—林芝航線開航3年來僅靠波音757執飛的歷史，極大提高這個國內飛行難度最大高原機場的航班安全裕度和正點率。

2011年10月18日，南航新疆公司一架B737-700，圓滿完成對伊寧機場RNP進近試飛。RNP程序在伊寧機場的運用將極大提高飛機在伊寧機場運行的安全裕度。

5.PBN技術的運用是新疆民航跨越式發展推進器。新疆維吾爾自治區占國土總面積的六分之一，在建成投入使用的飛機場有16個，是中國擁有機場最多的省區。在“十二五”規劃期間，新疆要新建6個機場，使新疆飛機場數量增加到22個。但是，疆內多數機場助航設備差，受地形及天氣的影響，進近程序相對復雜，客觀上制約著新疆民航的發展。而PBN技術在新疆的廣泛運用將會為實現新疆民航跨越式發展提供有力的安全保障。

四、結束語

PBN導航技術是航班飛行和空管運行方式的重大革新和整合，能有效促進運行安全，增加空域容量，減少地面導航設施的投入，提高節能減排效果，是我國建設新一代航空運輸系統的關鍵技術。隨著伊寧機場圓滿完成RNP程序試飛，PBN這項新技術將在新疆逐步應用和推廣，更好地為民航運輸系統地安全性、經濟性保駕護航，為實現新疆民航跨越式發展插上騰飛的翅膀。