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PBN学习备忘录

2019-3-8 00:30| 发布者: CCA6862| 查看: 645| 评论: 1

导读:  在日常飞行运行中,PBN对大家来说早已不是一个陌生的词汇。随着GLS精密进近等一系列航行新技术的逐步推进,中国民航PBN的应用也已经步入到以GNSS为主要导航设施的新阶段。此时,系统梳理PBN运行相关基础知识不仅能 ...

 在日常飞行运行中,PBN对大家来说早已不是一个陌生的词汇。随着GLS精密进近等一系列航行新技术的逐步推进,中国民航PBN的应用也已经步入到以GNSS为主要导航设施的新阶段。此时,系统梳理PBN运行相关基础知识不仅能让我们理解目前出现的新技术,更有助于我们巩固掌握熟悉概念中的关键点。下面,我们从PBN的组成部分出发,开始PBN系统学习之旅吧。

  一、导航设施

  PBN由三大部分组成:导航设施、导航规范、导航应用。导航设施从传统的地基导航设备如VOR、DME逐步向星基导航设备如GNSS的过渡中带来了一些列的航行新技术,我们的梳理也从导航设施开始。目前,星基导航设施已开始成为PBN的主要导航设施,而星基导航设施的应用离不开各类型的增强系统。增强系统又可以分为以下几类:

  1、星基增强系统SBAS(Satellite-Based Augmentation System)

  SBAS主要是利用差分卫星导航技术。即基准站(位置已知)接收GPS信号后,解算得到自身位置,将解算值与已知值进行比较,求出卫星定位误差,然后通过地球静止轨道卫星(GEO)向用户播发修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。我们经常看到的一些缩写,如WAAS、EGNOS等等,实际上就是SBAS的一种。现在全球已经有多个SBAS系统,如美国的广域增强系统WAAS(Wide Area Augmentation System)、欧洲的同步卫星导航覆盖服务EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)、日本的多功能卫星增强系统MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)、印度的GPS辅助型静地轨道增强导航GAGAN(GPS AidedGeo Augmented Navigation)以及俄罗斯的差分校正和监测系统SDCM(System for Differential Corrections and Monitoring)等。我们的北斗已经开始建设自己的增强系统,未来也将成为GNSS增强系统大家庭中的一员。需要注意的是,我国民航PBN应用目前是不包括SBAS的。

  2、地基增强系统GBAS(Ground Based Augmentation System)

  GBAS与SBAS原理相似,但却是通过甚高频数据广播(VDB)向终端区航空器播发修正信息,覆盖范围较小,大概在23海里的距离内,但精度很高,能够支持I类和II、III类精密进近,并实现在其工作范围内从进近、着陆、离场到场面运行的全覆盖。GBAS设备一般安装在机场附近,如下图所示:

  现在的地基增强着陆系统GLS即是GBAS Landing System的缩写。我国的上海浦东机场安装了美国霍尼韦尔公司SLS-400型GBAS设备,并且于2015年3月20日用A321飞机进行了GLS演示验证试飞。我国PBN应用下一步之一即是推广GLS进近。

  3、机载增强系统ABAS(Airborne Based Augmentation System)

  ABAS利用GPS信息和其他传感器(如IRU等),通过一些列算法,实现机载导航系统的完好性监控。典型的ABAS主要包括接收机自主完好性监视RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)和航空器自主完好性监视AAIM(Aircraft Autonomous Integrity Monitoring)。RAIM是一种算法。正常卫星定位需要4颗卫星,当出现第5颗卫星时,即可以通过这种算法,算出同一个地点的多个位置解,然后进行比较,结果理应相同。如果不同,即说明其中一个结果有问题,导航信息可能不可靠,系统将出现告警,这即所谓的FD(Fault Detection)功能。当有6颗卫星时,就能推算哪个解是错误的,然后排除,实现FDE(Fault Detection and Exclusion)功能。RAIM预测是推算飞机运行区域是否有至少5颗卫星,是在飞行前进行的,飞行过程中是不用RAIM预测的,这和RAIM不是一回事。AAIM是利用惯性导航IRS、气压高度表或无线电高度表等组合进行完好性监测和性能改善。实际上,RAIM和AAIM就是OPMA。到这里,我们可以用一张图来总结下上面提到的几类增强系统。

  除了星基导航设施,地基导航设施如VOR,DME等目前也在广泛应用,后面我们将结合导航规范来做进一步的梳理。


  二、导航规范

  导航规范详细规定了在PBN航路或空域运行的机组及航空器的要求。PBN包含两类基本导航规范:区域导航(RNAV)和所需导航性能(RNP),如下图所示:

  每一类导航规范都从完整性、可靠性、连续性、精度等方面对导航系统的性能提出了具体的要求。完整性是指当系统不可靠时,有能力提供及时的告警;可靠性是指在初始阶段所有系统性能完好、可靠;连续性即在计划运行期间,导航系统有能力提供连续不间断的服务;精度是指对于某一具体地点,至少在95%的飞行时间里,估算位置与实际位置之间的差异在误差范围内。获得高精度要求适航审批的航空器,并非就自动获得低精度要求的导航规范适航审批。例如:获得RNAV 5运行资格的飞机及机组不等于RNAV10的运行资格,同样获得RNP APCH运行资格的飞机及机组不等于有RNAV1的运行资格。

  每一导航规范后面固定数字即代表该种导航规范所要求的横向导航精度(海里为单位),如RNAV5、RNP1等。需要注意的是这里所指的误差是总系统误差TSE,它是航迹定义误差PDE、飞行技术误差FTE、导航系统误差NSE的矢量和。RNP与RNAV最显著的区别就在于RNP多了OPMA,这可以让机组知道飞机系统是否满足导航性能的要求。除此之外,具体的RNAV与RNP规范还有不少的差别,从主用导航源和地面导航设施的角度来看,主要区别如下:

  上面的表格有几个需要注意的地方:

  1、RNAV10(RNP10)与RNP4,这两者应用场景有些相似(洋区和偏远陆地),都不依赖地面导航设施,但除了精度有差别外,RNAV10(RNP10)主用导航源是GNSS+INS/IRS,INS/IRS惯导系统时间越久,累积误差越大,所以运行RNAV10(RNP10)会有时间限制,某公司的运行规范中,两套INS/IRS,限定飞行时间为6.2小时。RNP4主用导航源为GNSS+OPMA,就不存在这个问题;

  2、我们有时在航图中能够看到RNAV DME/DME或者RNAV DME/DME/IRU:

  实际上这就是指使用两个DME定位或者至少两个DME ,在DME 信号覆盖的空隙区域,使用的惯性基准组件(IRU)能够提供足够定位信息的RNAV,如RNAV 1和RNAV 2,这两类导航规范的主用导航源选择范围较广,既可以是DME/DME,也可以是DME/DME/IRU,还可以是GNSS,对外发布时需要公布关键DME(如果有的话)。RNAV5是唯一一个主用导航源可以使用VOR的PBN导航规范了,它的主用导航源可以是VOR/DME,DME/DME或者GNSS+INS/IRS。

  3、RNP导航规范主用导航源就是GNSS,例如基本RNP1和RNAV1相比,主用导航源就是GNSS+OPMA,不像RNAV1可以有上文提到的不同选择。在实际运行中,我们需要着重区分RNP APCH(公布为RNAV GNSS)和RNP AR APCH(公布为RNAV RNP)这两者。对于同一机场,所有的机型都能运行同一个RNP APCH,但每个机型都有不一样的RNP AR APCH,需要特殊授权。此外,RNP AR APCH能够提供固定转弯飞行模式(即有RF航段),最后进近航段可以进行弯曲进近,航迹选择更为灵活。下文导航应用还会具体提到,RNP APCH可以选用VNAV,而RNP AR APCH 必须使用VNAV。

  在实际飞行过程中,GNSS具有最高优先级,如无法使用GNSS,FMC依次选择DME/DME、VOR/DME、IRS。并且在执行RNP AR进近时,还会抑制地面导航台的信号,即惯性导航系统IRS 在丢失GPS位置更新时,不会依靠单台VOR/DME进行IRS位置的无线电更新。

  到这里我们对PBN的两类导航规范有了大致的了解,接下来我们会继续探究导航规范的具体应用及其所带来的一些列的问题。


  三、导航应用

  实际运行中,两类导航规范的应用我们每天都在接触,不同的飞行阶段应用不同的导航规范,具体如下:

  除特殊规定外,RNAV2一般用于航路运行。RNAV2运行允许1.0NM(95%)的FTE。RNAV1用于所有RNAV的DP和STAR。RNAV1运行允许0.5NM(95%)的FTE。

  在使用RNP进近时,有这么一个问题,这是精密还是非精密进近呢?在探讨具体的进近类型之前,先要明确一个类精密进近的概念。类精密进近APV(Approach with Vertical Guidance)是指在最后进近段同时有水平引导和垂直引导,但引导精度不足以达到精密进近和着陆运行要求的仪表进近。根据垂直引导的方式,APV可以分为两类,一是APV BaroVNAV,垂直引导来自机载气压式高度表,使用DH/DA方式,运行标准用LNAV/VNAV方式;一类是APV SBAS,垂直引导来自星基增强系统SBAS,使用DH/DA方式,运行标准用LPV(Localizer performance with vertical guidance)方式。后文会谈到LPV的一些特征。国内民航应用最多的是APV BaroVNAV,RNP APCH或者RNP AR执行LNAV/VNAV标准时,就是垂直导航使用气压式垂直导航的APV BaroVNAV程序,即是最基础的APV程序。虽然不是精密进近,但因为在垂直方向上有引导,这类程序同样使用DA/DH,由于气压式垂直导航会受温度等外界条件的影响,所以会有最低或最高温度限制。这里我们也可以大致梳理出RNP进近到底是哪类进近。

  1、使用RNP进近,但只提供水平方向的引导,使用LNAV标准时,是非精密进近,由于没有使用垂直引导,LNAV的进近最低标准高于其它类型的RNAV。LNAV使用400英尺的决断高度,保护区比VOR小。这种方式通常是通过GNSS+ABAS+DME/DME(或VOR/DME)实现;

  2、使用RNP进近,提供水平和垂直方向引导,使用LNAV/VNAV标准时,是类精密进近。LNAV/VNAV标准降低了垂直障碍清除(Vertical Obstruction Clearance)要求,这种方式通过GNSS+ABAS+BraoVNAV实现;

  3、使用LPV标准时,也是类精密进近,LPV具有水平和垂直引导能力,精度比LNAV/VNAV高,但是又比ILS低,使用250英尺决断高度,3/4英里能见度(有适当的灯光时1/2英里),40m HAL(水平告警门限)和50m VAL(垂直告警门限),这种进近方式国外应用的比较普遍,国内暂无。此种方式通过GNSS+SBAS实现。

  4、RNP进近只有一种是精密进近,即采用地基增强系统的GNSS+GBAS。如下图所示:

  到这里我们的笔记也将告以段落。我们从PBN的三个组成部分:导航设施、导航规范、导航应用大致梳理了与PBN有关的基础知识,希望在实际运行中对大家有所帮助。


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    引用 2198393274 2019-4-19 20:46
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