基于性能的导航(PBN)与机场建设

基于性能的导航（PBN）与机场建设

摘要：随着民航的快速发展，航班流量的不断上升，空域资源日渐拥挤，航空器的运行环境日趋困难，基于性能导航（PBN）正是在这一社会需求和技术发展背景下产生的。PBN充分利用当代飞机的全部潜能，按照精确定义的航路飞行，无需依靠地基无线电导航信号，在提高飞行安全、增加空域容量、节能减排等方面有显著的经济和社会价值。本文首先简要介绍了基于性能导航（PBN）的基本定义、组成、作用和意义，详细评述了PBN在国内外的发展现状，重点分析了PBN 在美国、欧洲和中国的应用研究现状，并讨论了我国在PBN研究和应用中存在的问题。最后本文还探讨了我国机场建设中的空域规划、管理制度和基础设施建设与基于性能导航（PBN）相结合以共同作用和发展的问题。

关键词：基于性能的导航（PBN），RNAV/RNP，机场建设，航行新技术

1、基于性能导航（PBN）的基本概念

1.1基于性能导航（PBN）的定义

在航空飞行中，传统导航是利用地面导航台信号，通过向台或背台飞行实现对航空器的引导，航路划设和终端区飞行程序受地面导航台布局和设备种类的制约，如图1a所示。为进一步提供空域容量和运行效率，满足航空运输飞行量不断增长的需求，新航行技术正亟待被更加系统深入地研究和应用。此外，从全球范围看，现行导航的技术标准并不统一，如航空发达的欧洲和美国对导航的具体技术要求也存在差异，这为全行业规划和发展带来困难。

随着航空器机载设备能力的提高以及卫星导航等先进技术的不断发展，国际民航组织(ICAO)提出了“基于性能的导航PBN (Performance Based Navigation)”概念，并已经与各缔约国和有关国际组织达成共识，将PBN作为未来全球导航技术的主要发展方向。

基于性能的导航(PBN)是在整合区域导航(RNAV)和所需导航性能(RNP)运行实践和技术标准的基础上所提出的一种新型运行概念，如图1所示。PBN是指在相应的导航基础设施条件下，航空器在指定的空域内或者沿航路、仪表飞行程序飞行时，对系统精确性、完好性、可用性、连续性以及功能等方面的性能要求。

图1 PBN概念示意图

1.2基于性能导航（PBN）的组成

PBN是空域概念的有机组成部分。它与监视、通信和空中交通管理系统协同工作，共同构建了空域的概念。在空域的环境中，PBN运行的三个基础要素是导航应用、导航规范和支持系统运行的导航设施（见图2）。

图2 空域的概念

基于性能导航概念的三个基本的因素中，导航应用是将导航规范和导航设施结合起来，在航路、终端区、进近或运行区域的实际应用，包括RNAV/RNP航路、标准仪表进离场程序、进近程序等。导航规范是在确定的空域范围内对航空器和飞行机组提出的一系列要求，它定义了实施PBN所需要的性能及具体功能要求，同时也确定了导航源和设备的选择方式。基础设施是用于支持每种导航规范的导航基础设施(如星基系统或陆基导航台)。

PBN包含两类基本导航规范是：区域导航(RNAV)和所需导航性能(RNP)。基于性能导航（PBN）是从所需导航性能（RNP）演变出来的概念，它明确区分了RNP定义上的差异。ICAO根据是否需要机载导航性能监控与告警，将PBN明确分为RNAV-X与RNP-X两种类型，RNAV-X需要以上两项功能，而RNP-X并不需要。X表明了以海里为单位的在95%（含）以上飞行时间内需要达到的水平导航精度。区域导航(RNAV)和所需导航性能(RNP)的基本内容简介如下：（1）区域导航（RNAV）可以使航空器在导航信号覆盖范围之内，或在机载自备导航设备的工作范围内，或二者的组合，沿任意期望的航迹飞行，即RNAV 系统能够使用多种导航源信号来自动确定航空器位置，建立期望的飞行航迹并为航空器向下一航路点飞行提供航迹引导。RNAV系统可以采用的导航源包括：惯导（INS/IRS）、VOR/DME、DME/DME、LORAN C、GNSS和FMS。

（2）所需导航性能（RNP）是对指定空域内运行所需要的导航性能精度的描述（RNP类型）。RNP数值根据航空器至少有95%的飞行时间能够达到预计导航性能精度的数值来确定，与RNAV概念结合，能够提高导航精度和运行安全水平。RNP系统不仅对航空器机载导航设备有要求，对支持相应RNP类型空域的导航设施的精度也有一定要求。根据飞行地区的不同和飞行阶段的不同，RNP 主要有以下几种类型：RNP0.1-0.3、RNP1/2、RNP4、RNP10，分别用于进近阶段、终端区飞行、陆地航路飞行和洋区飞行。

1.3基于性能导航（PBN）的作用和意义

随着航空运输的持续发展，传统航路的局限性渐显严重。基于区域导航(RNAV)和所需导航性能(RNP)的两类技术不依赖于地基导航设备，可以使航空器在任意两点之间精确飞行，对改善航空运行安全，提高运行效益，降低运行成本和实现与全球标准的统一等方面有重要作用，如图3所示。

PBN能精确地引导航空器，可以有效促进民航持续安全，增加空域容量，减轻管制员和飞行员工作负荷，减少地面导航设施投入和提高节能减排效果等。显然，PBN极大地提升了空域运行效率，这对减少运行成本和提高运行的整体经济效益有重要意义。此外，PBN的概念体现了导航方式从基于导航源到基于性能导

航的转变，导航标准不仅定义了性能要求，同时也定义了导航源和设备的选择方式，能够对国家和运行者提供具体的实施指导。

图3由传统方法转变到基于性能导航(PBN)的优点

2、基于性能导航（PBN）的国内外发展现状

PBN是飞行运行方式的重大变革，其更加精确安全的飞行方法、更加高效的空中交通管理模式和显著的经济效益已经赢得各国民航组织的广泛青睐。ICAO在2007年9月第36届大会上，正式要求各缔约成员国，2009年底前必须制定完成PBN实施规划，2016年完成全部实施工作，以全球协调一致的方式从传统飞行模式过渡到PBN飞行模式。目前，美国、欧洲、日本、中国、澳大利亚和加拿大等国家和地区的航空公司以及空中管理供应商正一起工作，研究和实施先进的PBN解决方案（如图4），为进行新一代空域现代化努力。

（3）日本情况

航路运行方面，日本1992年开始建立RNAV航路，于1998年在洋区实施了RNP10区域导航航路，目前共实施了60多条RNAV航路。飞行程序方面，1999年开始在东京机场实施区域导航进场程序，并逐步推广到其他5个主要机场。2005年日本制订了《RNAV发展计划》，分为三个阶段，具体为：2007年年底前，完成相关准备工作，引入国际统一技术标准。2008年至2012年，实施RNAV5航路，同时研究实施RNP2航路并逐步推广到非雷达管制空域，实现大部分终端区内实施RNAV1飞行程序。20013年以后，在FL290以上全部实施RNP2航路，并在大中型机场实施RNP1飞行程序。

图4 全球PBN实施计划图示

2.1国外现状

（1）欧洲情况

1998年1月29日，欧洲率先实施了基本区域导航BASIC-RNAV（B-RNAV），被认为是航路飞行阶段实施区域导航运行的第一步过渡。欧洲RNAV导航技术分为B-RNAV和P-RNAV（精密方式），计划在2010年后发展为RNP方式，如图5所示。就侧向导航精度而言，B-RNAV相当于RNP5的精度，P-RNAV相当于RNP1的精度，但对于性能方面的要求，RNAV要比RNP的运行要求低。

图5 欧洲PBN实施计划图示

在欧洲空域内航路飞行阶段均要求航空器具备B-RNAV的能力，其具体要求为，在考虑各种飞行误差情况下，航空器95%的飞行时间内必须保持在标称航迹

左右各9.3公里（5海里）范围内。2004年后，欧洲开始使用P-RNAV技术，应用于终端空域，使终端区设计得到优化，增强了飞行灵活性，提高了空域容量。P-RNAV航路的导航性能精度相当于RNP1，但不等同于RNP1，要求在考虑各种飞行误差情况下，航空器95%的飞行时间内必须保持在标称航迹左右各1.85公里（1海里）范围内。P-RNAV运行是使用DME/DME、VOR/DME、GNSS、INS/IRS 等一种或几种组合的导航信息源确定航空器的位置，但不包括垂直导航功能。在欧洲的基于性能导航发展规划中，2010年后主要航路和所有的终端区必须实施区域导航运行，并向3D和4D的区域导航应用发展，如图6所示。

（2）美国情况

美国FAA制定了《基于性能的导航发展路线图》，其目的是：确定美国向基于性能导航系统过渡的政策，为航空界的业务发展提供指南；改进美国国家空域系统设计和航空交通程序，减少空中交通延误，改善运行效率，提高安全水平；建立运行概念和目标，并确定实施步骤和时间表。

图6 欧洲PBN实施对导航设施的要求

FAA将发展路线分为三个阶段，具体为：

近期（2006-2010年），FAA为所有飞行阶段提供RNAV和RNP程序，并继续制定有关运行标准和指南。该阶段，美国将在总结Q航路和T航路运行基础上降低T 航路最低运行高度，制定RNP-2技术标准，并逐步将Q航路转变为RNP-2航路。期间，非区域导航航路将继续使用。

中期（2011-2015年），RNAV将成为美国国家空域系统中的主要导航方式，在FL290以上均使用RNP-2航路，进一步降低T 航路最低高度，完成从陆基导航到基于性能导航系统的过渡，开始使用国家基准系统（NRS），以实现自由航路

的理念。该阶段，FAA将逐步取消一些地面导航设施，重新设计有关航路和程序，修改调整间隔标准、扇区划设和终端区空域结构。

远期（2016-2025年），在FL290及以上均使用RNP航路，整个国家空域系统均采用区域导航方式。该阶段，空域将被重新设计，CNS/ATM技术将充分应用，自由航路越来越多，并引入新的自动化系统，从固定的航线转变为灵活的、用户可选择的自由航线。

此外，在上述三个阶段中，美国对洋区、终端区和进近范围内基于性能的导航发展规划都做了详细描述。美国Q航路为高空区域导航航路，提供了灵活的飞行航迹，不受限于地基导航设备位置，为更有效的设计程序和使用空域提供了条件。第一条Q航路是建立在墨西哥湾，代替以前的传统航路，此后，Q航路就在美国西部、南部以及加拿大和美国之间的大湖地区实施，如图7所示。“Q”是美国用于指配这些区域导航航路的代号，按照有关导航规定，Q航路标准为RNAV-2。Q航路依据FAA8260.3《美国终端区仪表程序标准》的规定而划设，航路内相邻两点间的最小距离是12海里，最大距离是500海里，平行Q航路的中心线间的最小距离为8 海里，与一般的航路相同。Q航路在运行过程中，必须采用雷达监控以确保有效的航路容差。Q航路可以采用GPS或DME/DME结合IRU 进行导航。如果某条Q航路拟采用DME/DME运行，就必须进行地基DME设备性能的分析，如果DME信号不能覆盖整条航路，则航空器需要安装GPS 导航设备。FAA的AC90-100中描述了Q航路运行要求，包括对航空器的机载设备要求和机组的训练要求。

图7 美国西部Q航路实施图示

2.2国内现状

1998年，我国民航启动了第一条区域导航航路（L888航路）建设，并于2001年1月正式投入运行，产生了巨大经济效益和社会效益，受到了国际组织的高度评价。同年，我国引入国际民航组织统一标准，在三亚地区实施了RNP10航路。近年来，我国民航更是加快了区域导航技术研究和应用的步伐：在西部地区新辟了基于RNP4的Y1、Y2、Y3航路，与L888航路互为补充，优化了西部地区航路结构；为缓解现行京沪、京广航路拥挤问题，实施京沪、京广RNP2平行航路的研究工作正在积极进行中。区域导航飞行程序应用也获得快速发展。2003年2月试飞了天津机场区域导航进离场飞行程序，并于2004年2月正式生效；2003年7月首都机场区域导航飞行程序也进行了试飞。2005年4月中国民航首次使用RNP 飞行程序，成功地在拉萨完成验证飞行，这是RNP程序在亚洲的首次飞行。

据估计，国内现有机队90%具备RNA V能力，60%能够满足RNP要求。并且，民航实施WGS-84已获国家相关部门批准，拟于近期正式启用，解决了PBN技术应用和推广的坐标系问题。因此，我国已具备了系统、广泛开展PBN技术应用的条件。2009年10月民用航空局正式提出了中国民航《基于性能的导航实施线路图》，明确我国飞行程序和航路飞行以基于性能导航为方向，由航路、终端区、进近逐步推进，并采取实验、试验、推广的步骤稳步实施。中国民航PBN实施将分为三个阶段，即近期(2009-2012)、中期(2013-2016)、远期(2017-2025)，如图8所示。近期实现PBN重点应用，中期实现PBN全面应用，远期实现PBN与CNS/ATM系统整合，成为我国发展“新一代航空运输系统”的基石之一。

图8 中国PBN实施阶段示意图

2.3国内外发展现状简评

基于性能的导航PBN有助于进一步改善全球航空运输系统的安全、效率和可持续性。PBN突出的优点和作用使得各国将其作为研究和应用的重点。美国的“下一代航空运输系统”和欧洲的“单一欧洲天空空中交通管理研究”都是以基于性能的导航为基础的。相比较国外的发展现状，我国基于性能的导航PBN所存在的问题是：

（1）基于性能导航PBN的应用性研究大大超过技术性的研究。目前我国基于性能的导航PBN的导航规范和技术范本还主要来自于纳沃斯等其他国外公司，还缺乏在PBN飞行程序设计和航路规划方面的能力，这容易使得我国PBN 应用受制于人。此外，导航精度和信号覆盖面不足将严重制约我国民航行业的发展。事实上，相关组织和学者已经注意到上述问题，他们结合当前GNSS运行情况，探讨了将“北斗二号”纳入GNSS运行的可行性及必然性。这对加强我国自主导航系统的影响力，提升我国导航服务整体水平有重要意义。

（2）我国基于性能导航PBN应用面临的独特问题。由于特殊的国情和作为一个新兴的且生机盎然的航空市场，我国民航的快速发展面临着诸多挑战，主要包括：空域受限和机场容量饱和，特殊机场众多，行业发展协调性不够以及东西部发展不平衡等。因而在基于性能导航PBN应用时所涉及到的机型机组限制，管制员、签派员培训、导航设施建设和管制指挥方式改变等一系列问题，需要我国民航有计划有步骤、平稳安全地从传统导航过渡到PBN导航。

3、基于性能的导航（PBN）与我国机场建设

建设新一代民用机场体系，是一项艰巨而复杂的任务，任重而道远！我国机场的建设，空中和地面的建设应协调同步开展，二者缺一不可，在某些地形和空域复杂地区，空中的部分显得尤为重要，如在我国西南地区林芝和昆明机场建设中空中的部分起了决定作用。空中的部分主要包括飞行仪表程序和航空器性能两部分内容。

基于性能导航PBN是民航飞行仪表程序中的标志性规范和技术范本，是机场航空器正常运行的必备条件。PBN方案研究在机场预可行性选址阶段就应该得到足够地重视，机场场址是否满足PBN方案的要求，直接影响项目的可行性；如果已有的机场在地形和空域复杂地区，还会影响到机场的净空处理量乃至机场的投资。另外，在机场的建设论证期间，PBN方案还会直接影响陆基导航设施的建设布局和管理等。

3.1基于性能导航PBN的空域规划

PBN和空域规划二者是相辅相成的关系，PBN是空域规划的核心内容，保障PBN顺畅运行也是空域规划的目的。基于性能导航PBN包括航路和终端区两部分。空域规划除机场终端区部分另外还应包括外围航路、航线的划设，通常情况下航路的划设主要考虑周边空域方面的需求，科学规划机场的进出点，合理分配进出机场的航班流量，保障PBN进、离场顺畅运行，外围航线规划的合理与否直接影响机场的PBN进、离场的运行顺畅与否。

对已有机场而言，机场建设首先要依据基本空域和地形条件制定出基于性能导航PBN方案。PBN方案规划的飞行路线加上线路保护区，通常就是基于性能导航PBN的航空器运行所需的空域规划的范围。因而PBN方案是空域规划的依据、前提。空域规划人员依据PBN方案与有关单位进行沟通协商，尽量满足PBN方案的要求，对空域规划不能满足PBN的要求，应根据空域的限制和地形限制情况对PBN作适当的调整。对准备建设的机场而言，鉴于上述PBN和空域规划的关系，在机场建设初期PBN设计和空域规划就应该同步开展。

3.2基于性能导航PBN的机场管制指挥

飞行安全是民航的根本所在，基于性能导航PBN是保障飞行安全的关键和战略性基础工作之一，直接关系到航空器运行安全。PBN的实施主要目的是避免航空器与地面障碍物、航空器与航空器之间相撞，保障航空器运行的安全和顺畅，提高机场运行的效率，降低对周围环境的影响，航空器无论在航路或在机场终端区飞行都必须把基于性能导航PBN作为基础。

基于性能导航PBN是管制指挥的基础，是为更好地管制指挥提供服务的。在管制运行体系建设上，要推进路基空域的合并调整，构建以民航运行管理中心为指挥核心，以区域、终端进近和塔台为主线的管制运行体系。大力推进管制运行的标准化、规范化，健全民航运行协调决策机制，提高应对突发事件的能力。在设备运行保障体系建设上，要建立分级管理与集中监控的设备运行保障体系。通过一线的实际工作可以发现PBN的不足，并及时反馈给PBN设计人员，对基于性能导航PBN进行优化、调整，更好地为管制指挥服务。

3.3基于性能导航PBN的机场基础设施建设

PBN设计和导航设施建设是相互影响的。机场建设前期首先要拟定、设计PBN方案，然后依据PBN方案安排导航设施的建设布局。如果导航设施建设布局不能满足相关导航规范，应进一步优化、调整PBN方案，依据调整的PBN方案进一步优化导航设施建设布局，二者最终达成一致。最终，PBN确定的导航设施布

局符合导航规范的要求，导航设施布局能够满足PBN的使用要求。基于性能导航PBN的我国机场基础设施建设的基本流程可以参照图9所示，其内容事实上也可以作为整个机场建设的基本规划流程。

图9 机场基础设施建设的基本流程

随着PBN导航技术的出现，飞行仪表程序对导航设施的要求也发生了变化。以往导航方式是依赖陆基的无线导航设施，因而导航设施对仪表程序的限制比较大，仪表程序也完全依赖地面导航设施。但PBN导航技术的出现，未来的仪表程序越来越依赖星基导航设施和机载导航设备，PBN的设计也就更具灵活性。

4、小结

基于性能的导航PBN将航空器的机载设备能力与卫星导航及其他先进技术结合起来，涵盖了从航路、终端区到进近着陆的所有飞行阶段，提供了更加精确、安全的飞行方法和更加高效的空中交通管理模式。PBN的引入体现了航行方式从

基于传感器导航到基于性能导航的重大转变。在民用航空的应用和发展方面，它具有显著的安全、经济和社会效益。

基于性能导航PBN是未来民航导航的发展目标，是引领未来民航导航的发展方向。我国的机场建设及其它相关政策、规定应与之适应并支持以保障PBN的推广和健康发展。通过不断的探索、创新和努力，使得基于性能的导航PBN与我国实际情况相结合，以适应我国民航的快速发展，并成为我国民航航行新技术发展的标志性规划和国际航空界的蓝图范本。

参考文献