基于性能基导航（PBN）的技术应用和效益分析

基于性能基导航（PBN）的技术应用和效益分析

顾科勇

顾科勇（中国民航飞行学院绵阳分院四川绵阳621000）

［摘要］性能基导航（PBN）的实施将成为优化空域结构，扩大空域容量的一个主要途径。通过PBN的实施，我们将可以在飞行安全性、系统容量、运行效率机场和空域的使用等方面获得显著提高，区域导航技术的发展应用具有显著的安全和社会效益。

［关键词］性能基导航区域导航所需导航性能安全效益

随着民用航空运输业的持续蓬勃发展，传统航路的局限性日趋严重。因此，不依赖于地基导航设备，可以使航空器在两点间沿任意需要的航路飞行的区域导航技术应运而生。性能基导航（简称PBN）也正是区域导航（简称RNAV）和所需导航性能（简称RNP）系统的广泛使用和发展而产生的一个新概念。

为统一认识并指导各地区实施新技术，国际民航组织(简称ICAO)在整合各国和地区RNAV和RNP运行实践的基础上，提出了PBN的概念和标准，作为飞行运行和导航技术发展的基本指导准则。PBN将RNAV和RNP等一系列不同的导航技术应用归纳到一起，涵盖了从航路到进近着陆的所有飞行阶段。

基于性能的导航，又称性能基导航（PBN）的实施将成为优化空域结构，扩大空域容量的一个主要途径。

PBN为沿空中交通服务（简称ATS）航路、仪表进近程序和指定空域飞行的航空器规定了性能要求。它是从基于设备的导航到基于性能的导航的转变，也是从有限的所需性能精度到更为广泛的包括所需性能精度、完整性、连续性、可用性和功能的转变，并包括了航空器和机组如何实现的指南。PBN为自动沿航线飞行的设计和实现提供了基础。一旦建立了所需要的性能标准，则航空器自身的功能就将决定它能否安全地获得特定的性能。

正是由于产生于区域导航（RNAV）和所需导航性能（RNP）的基础之上，PBN涵盖了RNAV和RNP的所有技术标准，PBN既沿袭了RNP提出的获得特定导航精度的要求，也包含了识别机组程序、区域导航系统功能及导航设备能否获得所需的导航性能等RNP概念中未要求的内容。同时，PBN还针对RNP的不足，加强了对协同概念的描述，提供了完整和详细的导航标准，并描绘了未来区域导航标准及导航应用发展的全球框架，使RNAV系统使用的方式更明晰，提供了对空域的更有效的使用。PBN中最关键的要素也正是RNAV和RNP。

区域导航（RNAV）

空中交通史上的首批航路是沿地面台点设计的，在作出向、背台飞行的区别和台点的频率、航路宽度、飞行高度的规定后，飞机按设计的航路飞行，管制员按该航路计划实施管制。由于当时还没有机载计算组件，飞机按逐台导航方法飞行。其航路结构决定于地面导航设备或其固定交叉点的地理位置。此时，航空器总要飞越这些导航设备或固定点，而且定位精度也会根据航空器与导航台站的距离不同而变化。随着VOR/DME成功地运用于导航和机载计算设备，出现了RNAV概念并得以初步应用。RNAV是一种导航方法，即允许飞机在相关导航设施的信号覆盖范围内，或在机载自主导航设备能力限度内，或在两者配合下沿任意期望的航径飞行。RNAV要求在95%的飞行时间内必须满足规定的精度。区域导航不同于传统导航之处在于，它可以确定出飞机的绝对位置(地理坐标)，不需要飞机向/背导航台飞行或飞越导航台，因而航线可以由不设导航台的航路点之间的线段连接而成，即允许在航路上定义航路点组成航线，实施逐点飞行；由于可以建立临时的绕飞、偏航飞行和等待航线等飞行计划，航线编排变得更加灵活，运行更加方便，效益也更加明显。

发展区域导航是为了提供更多的侧向自由度，从而有更多的能完全使用的可用空域。该导航方式允许航空器不飞经某些导航设施，它有以下三种基本应用：

1、在任何给定的起降点之间自主选择航线，以减少飞行距离、提高空间利用率；

2、航空器可在终端区范围内的各种期望的起降航径上飞行，以加速空中交通流量；

3、在某些机场允许航空器进行RNAV进近(如GPS进近落地)，而无需那些机场的ILS。

RNAV设备是通过下列一种或几种的组合来进行区域导航的：VOR/DME,DME/DME，LORAN，GPS或GNSS，甚低频波束导航系统，INS或IRS。RNAV能快速修改航线结构，且容易满足用户不断变化的要求。使用RNAV能缩短、简化航线，且如需要的话，能选出对环境影响最小的航线。预期在不久的将来，导航精确度和完整性将达到更高的水平，从而会出现间隔紧密的平行航线。

所需导航性能（RNP）

RNP概念是1991、1992年间由FANS委员会向ICAO提出，1994年ICAO在正式颁布RNP手册(Doc9613-AN／937)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。对空域特性要求而言，当飞机相应的导航性能精度与其符合时，便可在该空域运行。要求飞机在95％的飞行时间内，机载导航系统应使飞机保持在限定的空域内飞行，表示为RNPXX，就是95%总飞行时间不得偏移航道中线两边XX海里。

ICAO提出RNP概念并作出相应规定的目的是：改革以往对机载导航设备管理方式，从无休止的设备审定和选择工作中解脱出来；在规定的航路空域内运行的飞机，要求其导航性能与相应空域能力相一致，使空域得到有效利用；不再限制机载设备最佳装备和使用；作为确定飞行安全间隔标准的基本参考。

在RNP运行条件下，大多数航空器需携带RNAV机载设备,这在各国或地区有相关要求。为满足RNP运行批准要求，RNAV设备必须有相对应的性能和功能。RNAV运行不需要飞机飞越地面导航设施，允许在一定精度范围内按预设航线飞行。RNAV设备根据一个或多个不同导航源自动定位。典型的机载系统可以沿航迹计算距离，计算到选择的航路点的预计时间，并提供持续的航行指引。RNAV设备还可以提供大范围内相关导航数据。

导航性能精度是确定RNP类型的界标。RNP可用于从起飞到着陆的各个飞行阶段，但需要不同的RNP类型。

1、小于RNP1类型，可提供精密仪表进近和需考虑超障的离场。

2、RNP1类型，RNP1系指以计划航迹为中心，侧向（水平）宽度为±1海里的航路。

3、RNP4被设计用于一定距离的导航台之间航路和空域，通常在大陆空域。

4、RNP5，目前在欧洲空域，是要求绝大多数航空运输运行的标准，也被称为BRNAV（基本区域导航），RNP5是过渡性标准，起源于RNP4，该标准允许实施RNP程序来使用目前的导航设备而无需改变航路结构。

5、RNP10应用于远洋和偏远缺少导航台的区域。

6、RNP12.6有限用于缺少导航台空域的优化航路。

7、RNP20提供最低空域容量的ATS。

在实际应用中，RNP12.6和RNP20很少使用，也没有这样分类的空域。

RNP/RNAV的应用效益分析

一、RNAV/RNP能大幅度提高飞行效率。

1、缩短飞行时间和距离

RNP/RNAV允许飞机在相关导航设施的信号覆盖范围内，或在机载自主导航设备能力限度内，或在两者配合下沿所需的航路飞行，导航设备可依靠机载计算组件作用，以其实时、高精度等特性使飞机在飞行过程中能够连续准确地定位，在导航台的有效覆盖范围内设计一条比较短捷的航路，在空域允许情况下，依靠星基系统的功能，或与FMC配合，飞机容易实现任意两点间的直线飞行，或最大限度地选择一条便捷航路。一般来说利用能够卫星导航，飞行航路不再受地面导航设备的限制，可以在任意给定的起降点之间自主选择航线，以减少飞行距离、缩短飞行时间、提高空域利用率，飞机可在各种期望的起降航径上飞行，可以任意设计航路，实现了真正意义上的自由飞行，以加速空中交通流量。

2、提高航班正点率

这项新技术的使用可以大大提高航班正点率，减少密集空域的航班延误，提升航空运输企业的运营效率。除公布的航路外，还可根据需要采用随机航路，即在指定空域内由飞行计划自行确定的航路，增大了选择航路的灵活性，避免了主干航路和繁忙空域的拥挤。在进近着陆阶段，RNP/RNAV能使具备精密导航能力的飞机在复杂的天气和地形条件下起降，可降低最低下降高度，控制飞机在下降过程中能够有效避开障碍物和不利地形。最低下降高度的降低减少了飞行偏离，降低了机场开放标准，减少了由于天气原因导致的航班取消、备降及航班延误。

二、RNP/RNAV增加空域容量

随着RNP/RNAV的应用，相对于仪表着陆系统(ILS)飞行缩短了航路宽度，进一步减小了航路间隔，可以在给定空域内增加更多的容量。在RNP/RNAV飞行程序引导下，飞机可以在任意两个航路点之间飞行，飞机航路的选择更加灵活，可充分利用空域，增加空域容量。利用全球导航设备可以在海洋及山地、边远地区实施区域导航飞行，在这些地区可以建立更多的航线并随时增加新航线。空域划设更加灵活，可提高空域资源利用率，增大空域总容量，提高空中交通流量。

三、RNP/RNAV增强飞行安全

1、RNP/RNAV具有精确导航能力。

安全是民航工作永恒的主题，是其他所有民航工作的基础和前提条件。与传统方式相比，RNP/RNAV技术系统可以使飞机不必依赖地面导航设施就能沿着精确定义的航迹飞行，完成复杂的进港和离港飞行，而且RNP巡航过程能够保持飞行高度和飞行速度几乎保持不变，甚至改变何以忽略，飞行状态始终保持以飞行中线为基准进行飞行，即使在恶劣的天气条件下，也能安全、精确地进近着陆，减少了可控飞机撞地和飞机失去控制的风险。

RNP/RNAV具备告警能力。

RNP的机载系统具备监视机载导航系统性能的能力，一旦它检测到运行中的航空器所获得的导航性能没有达到要求，它就会立即告知机组，引起飞行员的警觉，这个功能增强了飞行员的情景意识，使飞行员可以更好更安全地进出具有挑战性地形的机场。RNP利用飞机的机上导航能力飞更精确的航路进入机场，因此可以有效降低机场运行的最低标准，增加边缘天气时的机场进出，减少了因为天气原因而造成的航班备降。也正因为如此，在无需空中交通管制人员的干预情况下，RNP还可以降低超障保护区或邻近航路间隔，进一步扩大空域容量。

四、RNP/RNAV能够达到节能减排

RNP/RNAV技术的应用也关系着多种经济效益。

1、节省投资费用。

由于所需导航性能区域导航技术（RNP/RNAV）不依赖地面设施，将极大地节省投资。

2、减少燃料消耗

RNAV程序提供更合理的耗油功效。

3、降低保险费用及减少工作人员

RNP/RNAV确保高可靠性飞行，事故危险系数降低，减少了保险费用的开销。

五、RNP/RNAV提供环保飞行

1、降低废气排放量

RNP/RNAV降低耗油也意味着减少了废气排放量，连续的直线短路径下降航路，据统计每架飞行器每年可减少几千吨的燃油排放量。

2、减少噪音污染

RNP/RNAV依据精确导航能力，可避免噪声敏感区域的飞行，也可利用其低噪消声装置降低噪声影响。

六、带动我国航空工业的整体发展。

新技术的采用必然带动其他相关产业的协调发展。航空业是一个资金和技术密集型行业，据测算，在航空业，投入产出比为1:14，发展航空新技术是我国由航空大国向航空强国迈进的必然要求。

从上述分析可知，基于所需导航性能的区域导航技术实施后，飞机的航路选择更加灵活，可通过减少飞行距离，优化空域，有效地提高了空域的运行效率。应用区域导航的优化航路后，在各种天气条件下都可以增加机场和空域的容量，降低对环境和障碍物间隔限制的要求，降低水平间隔标准，提高航迹保持的精确度。提高航路的复飞能力，充分利用间隔紧密的程序和空域，减少临近机场交通流的冲突。更短，更直接的航线减少了航油的消耗和污染，航空公司因而降低了运营成本。因此，区域导航技术从发展应用角度将具有显著的安全和社会效益。