基于必备导航性能的区域导航及其效益分析

基于必备导航性能的区域导航及其效益分析 Benefit Analysis of RNAV Based on RNP 魏光兴 方学东 虽然中国民航引进的大型运输机大都配备有GPS/IRS导航设备，但国内航线大多还是 导航台与导航台之间的连线。先进的导航设备与落后的航路设计及运行方式之间存在矛盾 ，这不仅使先进设备难以产生应有的运行效益，还会影响飞行安全。广泛推广区域导航有 助于改变这种局面。 随着全球航空业的飞速 发展，空中交通流量急剧增加，基于传统导航方式的航路结 构难以满足航班量增加的要求，航路和终端区空中交通拥堵的现象时有发生。为了保持航 路顺畅，保证飞行安全，提高运行效益，解决飞机先进的机载导航设备与落后的航路设计 以及运行方式之间的矛盾，国际民航组织（ICAO）早在1991年就确立了新航行系统（FANS ）和区域导航（RNAV）的概念。后来，根据RNAV运行过程中出现的问题，提出了必备导航 性能（RNP）概念。在此基础上，ICAO及其成员国设计了基于RNP的区域导航航路，进行了 试飞和数据分析，取得了可贵的经验和可观的经济效益。RNAV的研究已成为世界航空界的 一大热点。 区域导航及其特点 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；它还可以跳过某些航路 点直飞，甚至实施起点到终点的直飞，进而大大缩短了航程。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。（见表1） 应该说，区域导航允许飞机在陆基导航设备的基准台覆盖范围内，或在自主导航设备 能力限度内，或两者配合下，按所希望的飞行路径运行。它的出现将引起传统的航路结构 和空域环境的巨大变化。 区域导航的效益 区域导航有四种潜在的应用航路。 固定航路：在该区域内分布的永久性的区域导航航路，包括某些航路上由于没有陆基 导航台做航迹导引，只能由具备区域导航能力的飞机做区域导航运行，包括某些高空航路 。 偶然航路：在该区域内公布的短期性区域导航航路。 随机航路：在指定的随机导航区域内由飞行计划自行确定的航路，属于非公布航路。 终端(航站)区航路：包括区域导航的标准进场航线、进近程序、标准离场航线和等待 程序等。 虽然大中型运输机上现都已装备了区域导航/飞管系统（FMS）设备，但区域导航方法 才开始引进，并没有充分发挥设备优势。随着惯性导航和卫星导航的发展，区域导航将全 面实施，并以其成本低、航线多、精度高等优点，带来更多效益： 1. 可以建立快捷的直接航线，缩短飞行距离和飞行时间，节约燃油和运行成本，提 高航空公司的经济效益； 2. 除公布的航路外，还可根据需要采用随机航路，即在指定区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，避免了主干航路的拥挤； 3. 允许建立平行航路或平行飞行，提高了空域利用率和交通流量； 4. 结合提高导航精度和飞行自动化设备，使导航精度和可靠性大为提高，还可以缩 减飞机间的纵向间隔和侧向间隔，即缩小航路宽度，提高航路上的飞机布占率； 5. 利用全球导航设备可以在海洋及边远地区实施区域导航飞行，因此在这些地区可 以建立更多的航线并随时增加新航线； 6. 增加优化的可用高度层，减小保护空域尺寸，增加空中交通管制的灵活性； 7. 全面实行新航行系统以后，卫星导航系统/惯性导航系统将作为单一区域导航手 段，这样可以逐步撤减现有的地面导航台，从而节省大量设施投资和维护费用。 必备导航性能概念的引入 必备导航性能（RNP）是指在一个指定的空域内运行的飞机，在水平方向上（经纬度 位置点）所必备的导航精度。RNP不是驾驶舱的新硬件，也不是新的助航设备，它是以性 能为基准，不取决于某一特定设备，在确定的空域内运行所必需的位置精确性的一个声明 。RNP由一个精度数值表示(表2所示)。例如"RNP1.0"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。 基于RNP的RNAV航路是基于飞机导航性能要求的区域导航航路，该类航路的运行只限 制飞机的实际导航性能，而不是特定的导航设备，即不管是哪种机型，采用何种导航系统 ，只要飞机设备满足空域要求，并且飞机的导航性能参数（ANP）值小于RNP值，即可运行 该RNP航路，也就是说，在95%的概率要求下，当飞机的导航误差小于航路给定的RNP值时 ，飞机即可在此航路上运行。这里要特别注意，有的飞机能在RNP1的空域运行，却不能在 RNP20的空域运行。例如，被地面测距台（DME）完全覆盖的空域可定义为RNP1空域，如果 飞机的区域导航设备只有DME/DME，它能在DME台覆盖的RNP1空域运行，却不能在缺少DME 的海洋空域（RNP20）运行。 另外，在确定的RNP空域内运行的飞机，其导航位置精确性的包容限制参数应包括： ①导航性能精确性，即导航系统有望在95%的时间内保持该精确性；②除95%精确性的区域 （即主区）以外，还有RNP辅助区域（即副区），以满足空域的持续性和完整性的要求； ③组合区域（主副区之和）将确保飞机99.999%时间的包容限制，如图1所示。 效益分析 RNAV是满足RNP运行的主要手段，它允许在RNP规定的精度范围内的任何空域内运行 ，而不必直接飞越陆基导航设施。基于RNP的区域导航在世界各地的试运行表明，它在飞 行的各个阶段，在安全性、容量、效率、环境等方面有许多优点（见表3）。 RNP的效率反映在航路、终端区、进近三个方面，并且允许航路有转弯的曲线航段， 这增加了空域设计的灵活性，提高了效率（如图2所示）。在航路阶段，进行与RNP匹配的 空域设计，降低了空域保护要求，建立从航路点到航路点的航线结构和平行航路，可进行 平行偏置飞行，提高了变更航路的能力，减少了航路拥挤，提高了空域利用率和交通流量 。 对于终端区范围，RNP允许建立二维和三维的飞行程序，允许有转弯的曲线航段，有 距离短、顺畅的进离场航路，有能力扩大交通容量，提高流量的预见性，提高终端区进场 和离场率，减少地面拥挤，改进滑行时间，提高终端管制员在排序和管理等待层时的能力 ，减少飞行时间及用户运营成本，提高效益，同时还便于改进空域再设计和改进终端区航 路。 进近阶段，在无额外地面基础设施情况下，允许在非精密跑道上运用新进近程序，采 用平行进近的运行方式，提高进场率，增加收敛进近的应用，降低最低下降高度和最低天 气标准，在能见度降低的条件下提高跑道的使用率，进而提高机场的运行能力。通过减少 CFIT事故征候保持飞行安全，减少或消除非精密进近（NPA）航径对飞行的影响，降低机 组培训费用，提高进近的一致性，减少人为因素对安全的影响。 从安全角度上看，由于RNP有改进空域再设计和更有效的航路，提高了情景意识，减 少了飞行员的话音通信，有助于航空安全。有资料显示，在进场阶段，飞行员/管制员的 通信由此将减少20%～25%；在RNP平行进近阶段，该通信减少10%～20%；在离场阶段则减 少30%～40%。 FAA针对终端和进近的初步分析已经完成，对于设计有RNP平行进近程序的 机场，它的容量有很大优势，天气条件差时，可提高容量55%～75%(如克里夫兰机场和西 雅图机场)，每年将节省25万～100万美元的运行成本；在35个基准机场的RNP进场试运行 结果表明，参加项目的用户每年节省运行成本约为3500万～6500万美元；由于更有效的航 路设计，不仅减少了飞行员/管制员之间的通信，提高了情景意识，同时也减少了燃油排 放，因此具有环境优势。 RNP区域导航的实施需要行业内的密切合作协调，基于RNP的区域导航有很大的优越 性，具体表现为： 1.航迹选择灵活，减少延误； 2.能减少飞行距离和飞行时间，节约运行成本； 3.便于驾驶员操作； 4.减少陆空通话，增加情景意识，减轻管制员、飞行员的工作负荷； 5.选择最优化的等待位置； 6.促进航路和终端区容量的增加； 7.优化导航设施布局，减少导航台数量； 8.使用数值小的RNP，能极大地提高飞行轨迹的准确性，降低天气标准，保证飞行安 全和运行正常，改进飞行时间，提高终端可预计性； 9.允许用户针对特定飞行阶段决定机载设备装备的要求，支持国家减少陆基助航设 备数量的计划，减少对用户强制性安装某种设备的指令； 10.促进利用现有机载设备能力的优势，促进技术进步，以提供新的服务。 基于RNP的区域导航的实施 区域导航和RNP以性能为主，是国家空域体系的关键构建基础，虽然现在的民航运输 机都已装备RNAV/FMS设备，却没有充分发挥设备优势。随着新航行系统的逐步实施，ICAO 提出了基于RNP的区域导航分近期、中期、远期三个时期完成的战略思想。 近期（2003 ～ 2006年）主要完成：与区域导航相关试验项目相结合，制定特定程序 ，针对公共程序的情况平衡用户的能力。例如，对空域再设计，应分几个阶段实施，同时 提供新的优势和新的要求。 中期（2007 ～ 2012年）主要完成：在所有范围实施公共使用的RNP程序，评估机载 导航设备；在飞机运行过程中，对其机载导航系统的性能应有强制性的要求，通过协调达 成行业共识，形成针对长期效益的RNP运行标准。 远期（2013 ～ 2020）主要完成：行业的助航设备策略，协调实施，以便达到最大效 益。 虽然基于RNP的区域导航有很多优点，但考虑到现实情况，发达国家近期以鼓励为主 ，更着眼于中期和远期计划。空域再设计将基于新的RNP标准，结合其他相关项目的实施 ，使其协调能力最大化，以便顺利实施基于RNP的区域导航，尽快产生效益。在我国西部 地区陆基无线电导航台稀少，大都无雷达覆盖，如果在这些地区采用RNAV，其效益将是明 显的，可以建立一些固定航路和偶然航路。