基于傳統導航與PBN的離場程序差異及使用AutoLISP自動化繪制保護區

楊俊，孫懿，陳紅英

（中國民航飛行學院，廣漢618300）

基于傳統導航與PBN的離場程序差異及使用AutoLISP自動化繪制保護區

楊俊，孫懿，陳紅英

（中國民航飛行學院，廣漢618300）

近年來，航空運輸的發展使得傳統的陸基導航方式難以滿足運行要求。目前國內大量機場開始PBN程序的設計和推廣。通過分析PBN和傳統陸基導航的不同，比較基于兩種導航方式的離場程序之間的差異，并以AutoLISP為基本語言程序，介紹旁切轉彎保護區的繪制，為后續軟件包的開發奠定基礎。

PBN；離場程序；AutoLISP語言；旁切轉彎

中國民航飛行學院研究生創新科研項目資助（No.X2012-1）

0　引言

隨著全球民航業的飛速發展，空中交通流量與日俱增，傳統的依賴地面導航設施的陸基導航方式已經漸漸難以滿足大流量下的運行要求。在這種情況下，PBN應運而生。自20世紀90年代起，美國、日本、澳大利亞和歐洲的部分國家和地區先后開展了PBN的研究和應用工作。相對而言，中國的PBN相關研究工作則起步較晚。為支持中國民航PBN技術的推廣與應用，根據國際民航組織ICAO的建議和要求，2009年10月中國民航局制定并公布了《中國民航基于性能的導航實施路線圖》，力爭在2016年底完成所有機場的PBN運行。要實現這一目標，必須改變現有機場大多執行傳統目視和儀表飛行程序的現狀，設計各機場的PBN程序。那么，PBN飛行程序相對于傳統導航方式下的飛行程序而言，有哪些優勢呢？

1　傳統導航與PBN原理的不同

1.1傳統導航

傳統導航是基于傳感器的導航，航空器從一個導航臺飛至另一個導航臺，要求機載接收機利用收到的陸基導航臺信號，計算離臺方位或者距離，來實現定位和偏航判斷的。用于傳統路基導航的導航設備有VOR、VOR/DME、NDB、ILS/DME等。

1.2PBN技術

PBN（Performance Based Navigation）基于性能的導航概念，源于ICAO定義的“新航行系統”（CNS/ATM）即“空域概念”，“N”就是指CNS（通訊導航監視）中的“N”（導航）[1]。它是ICAO對世界各國現有的RNP（所需導航性能）和RNAV（區域導航）運行標準和運行實踐的概括和總結。用于PBN技術的導航設備除了傳統陸基導航設施VOR、DME以外，還運用了GNSS（全球導航衛星系統）。

2　PBN相對于傳統導航方式在飛行程序設計上的優勢

2.1從臺到臺的傳統導航和運行模式的缺點

（1）導航精度低

傳統路基導航，利用NDB方位、VOR方位、DME距離，采用方位控制或者距離控制等方式，來計算和確定航空器的二維位置。由于NDB、VOR方位精度和DME距離精度相對較差，因此定位誤差較大，不能滿足高精度運行等級的要求。同時，由于導航定位精度低，在程序設計時需要較大的航路保護區，因此極大地限制了飛行運行，甚至在某些機場終端無法實現基于傳統導航的飛行運行。

（2）空域利用率低

由于必須基于地面臺進行定位，因此只有在陸基導航臺信號覆蓋范圍內，才能建立傳統運行航路。如果陸基導航臺覆蓋不夠，則極大地限制了空域利用效率。同時，由于定位誤差較低，需要的保護區寬度較寬，飛行運行航空器放行間隔較大，也降低了空域利用率。

（3）運行成本高

在有陸基導航信號覆蓋空洞的空域，如果要建立傳統運行能力，必須增建陸基導航臺，勢必導致建造成本的上升。同時導航臺維護成本也會增加。

2.2PBN的優勢

（1）建立直線航線，縮短飛行距離

PBN的一個典型特征，就是脫離了導航臺的約束，不要求從一個導航臺飛向另一個導航臺，而是從一個航路點飛向另一個航路點。利用PBN的特性，在基于慣性導航或者衛星導航的情況下，可以在兩個距離較遠的航路點之間建立直線航線，縮短飛行距離，降低運行成本。這一做法適用于邊遠地區或者越洋飛行，在起飛機場與目的機場之間建立大圓航線，在大圓航線上選定合適的航路點，不管航路點之間是否有陸基導航臺。

（2）定義隨機航路，提高飛行運行靈活性

在飛行運行中，如果遇到因氣象原因或者管制原因需要繞飛時，可以根據臨時需要選擇或者定義計劃航路以外的航路點，構建隨機航路，提高飛行運行的靈活性，實現繞飛或者避讓。同時，根據運行和管制需要，即使沒有陸基導航設施的航路點，也可以基于PBN的特性，在航路或者終端區建立等待程序。

（3）GNSS單一導航，減少陸基導航設施

GNSS可以為航路、終端區、非精密進近、APV進近、一類精密進近及地面滑行提供區域導航服務，同時還可以服務于空管監視，因此GNSS可以作為民用航空飛行運行單一導航源使用，可以減少陸基導航設施的建設，降低運行成本[2]。

3　以離場程序為例，分析PBN與傳統導航的差異

由于PBN飛行程序使用的導航源是GNSS，導航精度很高，而且定位精度恒定。因此，可以不受任何地理位置與地面導航設施的影響，能夠有效突破空中區域限制，及時避開障礙物。下面將以某機場的傳統標準離場程序和基于PBN的離場程序來具體分析。

3.1某機場簡介

（1）地形特征

機場四周群山環抱形成“盆地地形”。主要山脈自東北向西逶迤橫亙于機場東南側。

（2）XX機場跑道條件

表1　

（3）導航臺

機場裝有ILS、VOR、DME、NDB、指點標等導航設施，這里列出所需導航設施：

表2　

3.226號跑道傳統離場程序設計

（1）設計依據

該程序設計與保護區的繪制嚴格遵守國際民航公約附件4《航圖》、6《航空器運行》、14《機場》、15《航行情報服務》以及國際民航組織ICAO文件DOC8168-OPS/ 611《航行服務程序—航空器運行》，DOC9613《PBN手冊》等文件。保護區繪制使用AUTOCAD軟件。

（2）26號跑道XXX方向傳統離場方案

沿26號跑道起飛，定高500m右轉截徑向線R029°離場的XXX-01D。如圖1所示。

（3）26跑道XXX方向傳統離場轉彎保護區

限制離場轉彎指示空速IAS為380km/h，根據離場爬升的PDG為3.3%，轉彎高度500m計算參數并繪制離場轉彎保護區如圖2所示。

（1）26號跑道XXX方向PBN離場方案

沿26號跑道起飛，由YC001右轉經YC002右轉飛向YC003，左轉離場。如圖3所示。

（2）26跑道XXX方向PBN離場轉彎保護區

限制離場轉彎指示空速IAS為380km/h，根據離場爬升的PDG為3.3%計算參數并繪制離場轉彎保護區如圖4所示。

3.4差異化分析

對比兩種離場方案和轉彎保護區我們可以看出與傳統運行相比較，PBN運行具有諸多作用及優勢，典型優勢包括：

（1）精確地引導航空器，所以保護區寬度基本恒定；

（2）優化飛行航跡，可以自由的設置航路點而不用依賴于導航設施的地理位置，這樣做可以增加飛行業載，減少飛行時間，節省燃油；

（3）在導航精度允許的范圍內自由設置航路點，依靠保護區寬度基本恒定這一特性可以避開許多主要障礙物，減少保護區內的障礙物數目，使飛行更加安全。

4　使用AutoLISP實現保護區的自動化繪制

LISP是一種計算機的表處理語言，是在人工智能學科領域廣泛應用的一種程序設計語言。AutoLISP語言是嵌于AutoCAD內部的計算機語言，它是AutoCAD開放式體系結構的具體表現，是LISP語言和CAD有機結合的產物[3]。

隨著PBN程序越來越多地被各型機場使用，PBN程序的設計及保護區的繪制工作將越來越繁重。用LISP編程制作自動化軟件包是一個好方法，到現在為止，已經有部分國家研發出實現自動化設計的軟件包，但是由于其開發代碼未公布，使得該軟件的售價十分昂貴，我國目前七大地區管理局，也只有西南局在使用。為了便于后續軟件包的開發，本文將探討使用LISP繪制旁切轉彎保護區。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

（1）對于一個PBN程序保護區繪制工作，80%都與旁切轉彎保護區有關。使用LISP程序，將使本來需要20分鐘完成的工作只需要1分鐘就可以完成。

AutoLISP繪制旁切轉彎保護區部分代碼如下：

（defun C:fbfurn（）

;參數段代碼

（setq xtt（getreal" 輸入轉彎點XTT（海里）:"））

（setq bv（getreal" 輸入轉彎點緩沖值（海里）:"））

……

（setq E（/（*90W）（*R 3.6）））

;打點段代碼

（setq p0（getpoint" 確定起始點（在需要畫風螺旋一側的主區頂點，坐標捕捉）:"））

（setq B（-0（getangle" 輸入轉彎前航路與X軸正方向的夾角的絕對值:"）））

……

（setq p18（polar p16（*0.25 Pi）（/d 1000）））

（setq p19（polar p17（*0.25 Pi）（/d 1000）））

;繪圖代碼段

（command"arc""c"p3 p4 p1）

（setq e1（entlast））

……

（command"line"p17 p19""）

（princ）

）

（2）以離場旁切轉彎為例，轉彎限速350km/h，轉彎高度1800m，轉彎角度90°使用CAD繪制及LISP繪制結果（藍色線條）如圖6、圖7所示。

（3）由上圖可見，使用LISP語言繪制，只需要簡單修剪一下線條即可。

5　　結語

PBN不僅可以簡化航班路線，還可以自由選擇航路點，避開有影響的障礙物，實現安全高效的航班運行。PBN程序的大力推廣，也會使的對自動化繪制軟件包進一步增加。用LISP進行參數化繪制，在保證準確性的前提下，極大的簡化工作量[4]。由于篇幅有限，本文僅僅討論旁切轉彎的繪制，后續工作還需要進一步完善。

圖4　

圖5　

[1]國際民用航空組織.基于性能導航（PBN）手冊[Z]，2008（第三版）

[2]何光橋.區域導航（RNAV）與傳統導航對比分析[J].科技創新導報，2010,3（02）：98-99

[3]郭秀娟，于全勇等.AutoLISP語言程序設計[M].北京：化學工業出版社，2008

[4]徐政委，蔣維安.基于AutoLISP語言的飛行程序中轉彎保護區的自動繪制[J].電腦編程技巧與維護，2013,3:78-79

PBN;SIDs;AutoLISP Language;FB Turning Protect Area

Difference of Departure Procedure between TraditionalWay of Navigation and PBN and the Automatic Draw ing of the Protect Area

YANG Jun，SUN Yi，CHEN Hong-ying

（China Aviation Flight University，Guanghan 618300）

At present,the traditionalway of navigation based on ground is difficult tomeet the operation requirements as the development of air transport industry.A number of airport have taken responsibility of PBN procedure designing and promotion.In order to lay the foundation for development of software package,analyzes the difference of PBN and traditional way of navigation based on ground,compared SIDs on PBN with SIDswhich is on ground and introduces the drawing of FB turning protectarea which AUTOLISP is applied as the basic programming language.

1007-1423（2015）16-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.16.013

楊俊（1965-），男，苗族，貴州丹寨人，碩士，教授，研究方向為飛行動力與控制和航空安全

孫懿（1989-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為飛行程序、飛行性能

陳紅英（1976-），女，四川德陽人，碩士，副教授，研究方向為飛行程序、飛行原理和飛行性能

2015-05-04

2015-06-01