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PBN學習備忘錄

2019-3-8 00:30| 發布者: CCA6862| 查看: 1910| 評論: 3

導讀:  在日常飛行運行中,PBN對大家來說早已不是一個陌生的詞匯。隨著GLS精密進近等一系列航行新技術的逐步推進,中國民航PBN的應用也已經步入到以GNSS為主要導航設施的新階段。此時,系統梳理PBN運行相關基礎知識不僅能 ...

 在日常飛行運行中,PBN對大家來說早已不是一個陌生的詞匯。隨著GLS精密進近等一系列航行新技術的逐步推進,中國民航PBN的應用也已經步入到以GNSS為主要導航設施的新階段。此時,系統梳理PBN運行相關基礎知識不僅能讓我們理解目前出現的新技術,更有助于我們鞏固掌握熟悉概念中的關鍵點。下面,我們從PBN的組成部分出發,開始PBN系統學習之旅吧。

  一、導航設施

  PBN由三大部分組成:導航設施、導航規范、導航應用。導航設施從傳統的地基導航設備如VOR、DME逐步向星基導航設備如GNSS的過渡中帶來了一些列的航行新技術,我們的梳理也從導航設施開始。目前,星基導航設施已開始成為PBN的主要導航設施,而星基導航設施的應用離不開各類型的增強系統。增強系統又可以分為以下幾類:

  1、星基增強系統SBAS(Satellite-Based Augmentation System)

  SBAS主要是利用差分衛星導航技術。即基準站(位置已知)接收GPS信號后,解算得到自身位置,將解算值與已知值進行比較,求出衛星定位誤差,然后通過地球靜止軌道衛星(GEO)向用戶播發修正信息,實現對于原有衛星導航系統定位精度的改進。我們經常看到的一些縮寫,如WAAS、EGNOS等等,實際上就是SBAS的一種。現在全球已經有多個SBAS系統,如美國的廣域增強系統WAAS(Wide Area Augmentation System)、歐洲的同步衛星導航覆蓋服務EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)、日本的多功能衛星增強系統MSAS(Multi-Functional Satellite Augmentation System)、印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航GAGAN(GPS AidedGeo Augmented Navigation)以及俄羅斯的差分校正和監測系統SDCM(System for Differential Corrections and Monitoring)等。我們的北斗已經開始建設自己的增強系統,未來也將成為GNSS增強系統大家庭中的一員。需要注意的是,我國民航PBN應用目前是不包括SBAS的。

  2、地基增強系統GBAS(Ground Based Augmentation System)

  GBAS與SBAS原理相似,但卻是通過甚高頻數據廣播(VDB)向終端區航空器播發修正信息,覆蓋范圍較小,大概在23海里的距離內,但精度很高,能夠支持I類和II、III類精密進近,并實現在其工作范圍內從進近、著陸、離場到場面運行的全覆蓋。GBAS設備一般安裝在機場附近,如下圖所示:

  現在的地基增強著陸系統GLS即是GBAS Landing System的縮寫。我國的上海浦東機場安裝了美國霍尼韋爾公司SLS-400型GBAS設備,并且于2015年3月20日用A321飛機進行了GLS演示驗證試飛。我國PBN應用下一步之一即是推廣GLS進近。

  3、機載增強系統ABAS(Airborne Based Augmentation System)

  ABAS利用GPS信息和其他傳感器(如IRU等),通過一些列算法,實現機載導航系統的完好性監控。典型的ABAS主要包括接收機自主完好性監視RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)和航空器自主完好性監視AAIM(Aircraft Autonomous Integrity Monitoring)。RAIM是一種算法。正常衛星定位需要4顆衛星,當出現第5顆衛星時,即可以通過這種算法,算出同一個地點的多個位置解,然后進行比較,結果理應相同。如果不同,即說明其中一個結果有問題,導航信息可能不可靠,系統將出現告警,這即所謂的FD(Fault Detection)功能。當有6顆衛星時,就能推算哪個解是錯誤的,然后排除,實現FDE(Fault Detection and Exclusion)功能。RAIM預測是推算飛機運行區域是否有至少5顆衛星,是在飛行前進行的,飛行過程中是不用RAIM預測的,這和RAIM不是一回事。AAIM是利用慣性導航IRS、氣壓高度表或無線電高度表等組合進行完好性監測和性能改善。實際上,RAIM和AAIM就是OPMA。到這里,我們可以用一張圖來總結下上面提到的幾類增強系統。

  除了星基導航設施,地基導航設施如VOR,DME等目前也在廣泛應用,后面我們將結合導航規范來做進一步的梳理。


  二、導航規范

  導航規范詳細規定了在PBN航路或空域運行的機組及航空器的要求。PBN包含兩類基本導航規范:區域導航(RNAV)和所需導航性能(RNP),如下圖所示:

  每一類導航規范都從完整性、可靠性、連續性、精度等方面對導航系統的性能提出了具體的要求。完整性是指當系統不可靠時,有能力提供及時的告警;可靠性是指在初始階段所有系統性能完好、可靠;連續性即在計劃運行期間,導航系統有能力提供連續不間斷的服務;精度是指對于某一具體地點,至少在95%的飛行時間里,估算位置與實際位置之間的差異在誤差范圍內。獲得高精度要求適航審批的航空器,并非就自動獲得低精度要求的導航規范適航審批。例如:獲得RNAV 5運行資格的飛機及機組不等于RNAV10的運行資格,同樣獲得RNP APCH運行資格的飛機及機組不等于有RNAV1的運行資格。

  每一導航規范后面固定數字即代表該種導航規范所要求的橫向導航精度(海里為單位),如RNAV5、RNP1等。需要注意的是這里所指的誤差是總系統誤差TSE,它是航跡定義誤差PDE、飛行技術誤差FTE、導航系統誤差NSE的矢量和。RNP與RNAV最顯著的區別就在于RNP多了OPMA,這可以讓機組知道飛機系統是否滿足導航性能的要求。除此之外,具體的RNAV與RNP規范還有不少的差別,從主用導航源和地面導航設施的角度來看,主要區別如下:

  上面的表格有幾個需要注意的地方:

  1、RNAV10(RNP10)與RNP4,這兩者應用場景有些相似(洋區和偏遠陸地),都不依賴地面導航設施,但除了精度有差別外,RNAV10(RNP10)主用導航源是GNSS+INS/IRS,INS/IRS慣導系統時間越久,累積誤差越大,所以運行RNAV10(RNP10)會有時間限制,某公司的運行規范中,兩套INS/IRS,限定飛行時間為6.2小時。RNP4主用導航源為GNSS+OPMA,就不存在這個問題;

  2、我們有時在航圖中能夠看到RNAV DME/DME或者RNAV DME/DME/IRU:

  實際上這就是指使用兩個DME定位或者至少兩個DME ,在DME 信號覆蓋的空隙區域,使用的慣性基準組件(IRU)能夠提供足夠定位信息的RNAV,如RNAV 1和RNAV 2,這兩類導航規范的主用導航源選擇范圍較廣,既可以是DME/DME,也可以是DME/DME/IRU,還可以是GNSS,對外發布時需要公布關鍵DME(如果有的話)。RNAV5是唯一一個主用導航源可以使用VOR的PBN導航規范了,它的主用導航源可以是VOR/DME,DME/DME或者GNSS+INS/IRS。

  3、RNP導航規范主用導航源就是GNSS,例如基本RNP1和RNAV1相比,主用導航源就是GNSS+OPMA,不像RNAV1可以有上文提到的不同選擇。在實際運行中,我們需要著重區分RNP APCH(公布為RNAV GNSS)和RNP AR APCH(公布為RNAV RNP)這兩者。對于同一機場,所有的機型都能運行同一個RNP APCH,但每個機型都有不一樣的RNP AR APCH,需要特殊授權。此外,RNP AR APCH能夠提供固定轉彎飛行模式(即有RF航段),最后進近航段可以進行彎曲進近,航跡選擇更為靈活。下文導航應用還會具體提到,RNP APCH可以選用VNAV,而RNP AR APCH 必須使用VNAV。

  在實際飛行過程中,GNSS具有最高優先級,如無法使用GNSS,FMC依次選擇DME/DME、VOR/DME、IRS。并且在執行RNP AR進近時,還會抑制地面導航臺的信號,即慣性導航系統IRS 在丟失GPS位置更新時,不會依靠單臺VOR/DME進行IRS位置的無線電更新。

  到這里我們對PBN的兩類導航規范有了大致的了解,接下來我們會繼續探究導航規范的具體應用及其所帶來的一些列的問題。


  三、導航應用

  實際運行中,兩類導航規范的應用我們每天都在接觸,不同的飛行階段應用不同的導航規范,具體如下:

  除特殊規定外,RNAV2一般用于航路運行。RNAV2運行允許1.0NM(95%)的FTE。RNAV1用于所有RNAV的DP和STAR。RNAV1運行允許0.5NM(95%)的FTE。

  在使用RNP進近時,有這么一個問題,這是精密還是非精密進近呢?在探討具體的進近類型之前,先要明確一個類精密進近的概念。類精密進近APV(Approach with Vertical Guidance)是指在最后進近段同時有水平引導和垂直引導,但引導精度不足以達到精密進近和著陸運行要求的儀表進近。根據垂直引導的方式,APV可以分為兩類,一是APV BaroVNAV,垂直引導來自機載氣壓式高度表,使用DH/DA方式,運行標準用LNAV/VNAV方式;一類是APV SBAS,垂直引導來自星基增強系統SBAS,使用DH/DA方式,運行標準用LPV(Localizer performance with vertical guidance)方式。后文會談到LPV的一些特征。國內民航應用最多的是APV BaroVNAV,RNP APCH或者RNP AR執行LNAV/VNAV標準時,就是垂直導航使用氣壓式垂直導航的APV BaroVNAV程序,即是最基礎的APV程序。雖然不是精密進近,但因為在垂直方向上有引導,這類程序同樣使用DA/DH,由于氣壓式垂直導航會受溫度等外界條件的影響,所以會有最低或最高溫度限制。這里我們也可以大致梳理出RNP進近到底是哪類進近。

  1、使用RNP進近,但只提供水平方向的引導,使用LNAV標準時,是非精密進近,由于沒有使用垂直引導,LNAV的進近最低標準高于其它類型的RNAV。LNAV使用400英尺的決斷高度,保護區比VOR小。這種方式通常是通過GNSS+ABAS+DME/DME(或VOR/DME)實現;

  2、使用RNP進近,提供水平和垂直方向引導,使用LNAV/VNAV標準時,是類精密進近。LNAV/VNAV標準降低了垂直障礙清除(Vertical Obstruction Clearance)要求,這種方式通過GNSS+ABAS+BraoVNAV實現;

  3、使用LPV標準時,也是類精密進近,LPV具有水平和垂直引導能力,精度比LNAV/VNAV高,但是又比ILS低,使用250英尺決斷高度,3/4英里能見度(有適當的燈光時1/2英里),40m HAL(水平告警門限)和50m VAL(垂直告警門限),這種進近方式國外應用的比較普遍,國內暫無。此種方式通過GNSS+SBAS實現。

  4、RNP進近只有一種是精密進近,即采用地基增強系統的GNSS+GBAS。如下圖所示:

  到這里我們的筆記也將告以段落。我們從PBN的三個組成部分:導航設施、導航規范、導航應用大致梳理了與PBN有關的基礎知識,希望在實際運行中對大家有所幫助。


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    引用 liangxintao3 2019-10-13 14:54
    看看大神的操作
    引用 nwmccx 2019-10-12 21:47
    看看大神的操作
    引用 2198393274 2019-4-19 20:46
    66558768566767859776958
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