浅析RNAV-RNP在西部机场的应用 - 图文

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浅析RNAV/RNP在西部机场的应用

学生陈强指导老师程擎

摘要

近年，RNAV/RNP

程序在西部一些机场逐步实施，RNAV/RNP应用已初见

成效。本文将在理论上分析RNP应用的优越性。航线结构方面，利用模拟航线的数据从航程上比较FANS航线与等角航线的差异，论证了RNAV/RNP的经济性；空域上，从超障区及航路保护区两个方面对比分析传统VOR航路与RNP航路，从而显示出RNP导航的精确性；此外，本文还提出了“CDA机场”的概念（CDA机场仅适合运行较高精度的RNP连续下降进场程序），设想在我国RNP区域导航广泛运用后，会出现新的机场选址标准。

关键词：区域导航RNAV；所需导航性能RNP；保护区；FANS航线；连续下降进场（CDA）

中国民航飞行学院毕业论文

ANALYSIS OF RNAV/RNP APPLICATION OF THE

AIRPORT IN THE WESTERN

Student: ChenQiang Instructs teacher: ChengQing

Abstract

In recent years, RNAV/RNP procedures at some airports in the western gradual implementation, RNAV/RNP applications are beginning to bear fruit. This article will analyze the theoretical advantages of RNP applications. Route structure, comparison of simulation data of the range with FANS routes and Conformal routes . Airspace, Contrasting traditional VOR route and RNP route form two sides of over roadblock airspace and route protective airspace, we can obviously find out the higher accuracy of RNP navigation. Besides, the article put forward the concept of CDA airport(CDA airport only beseem the continuously descent approach procedure which make use of highly accurate RNP). Assuming that the RNP navigation will be widely used, the standard of choosing address of airport will also be changed. Key words: area navigation (RNAV); navigation performance requirements for (RNP); protected areas; FANS routes; continuous decline in the standard approach (CDA)

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引言................................................................................................................................. 4 1.西部机场运行环境 ........................................................................................................ 5 1.1 气象环境 ............................................................................................................... 5 1.2 空域环境 ............................................................................................................... 5 1.3 导航设施 ............................................................................................................... 5 2.区域导航和所需导航性能.............................................................................................. 6 2.1 概述 ...................................................................................................................... 6 2.2区域导航——RNAV .................................................................................................. 6 2.3 所需导航性能——RNP ............................................................................................ 7 3．RNAV/RNP航线结构 ..................................................................................................... 8 3.1 RNP区域导航的航线优势 ........................................................................................ 8 3.2 FANS航线计算........................................................................................................ 9 4.RNP航路的空域优化 ....................................................................................................11 4.1 基于VOR导航台的航路保护区 ...............................................................................11 4.2 RNP航路与VOR航路包容区比较 ........................................................................... 13 4.3 超障区的差异 ...................................................................................................... 14 5.连续下降进场（CDA） ................................................................................................. 16 5.1 公共RNP和定制RNP简介 ..................................................................................... 16 5.2 连续下降进场（CDA） .......................................................................................... 17 5.3 CDA对机场选址标准的影响 .................................................................................. 18 6 管制特点和注意事项................................................................................................... 19 6.1 传统路基导航方式下的管制特点 .......................................................................... 19 6.1.1 地形特点对管制工作的影响 .............................................................................. 19 6.1.2 复杂天气对管制工作的影响 .............................................................................. 20 6.1.3 高原山区管制工作特点 ..................................................................................... 21 6.1.4 管制人员的管理和培训 ..................................................................................... 21 6.2 RNAV/RNP条件下的管制特点................................................................................. 22 6.2.1 进离场情况 ...................................................................................................... 22 6.2.2 在RNP航路上 ................................................................................................... 22 7结论 ............................................................................................................................ 23

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引言

我国西部地形复杂，山区较多，陆路交通非常不变，航空运输成为主要的运输方式之一。然而现有西部机场多处于高原、山区，航空公司以往必须选派特殊改装的飞机和经过严格训练的精英机组执行这些机场的飞行任务，还不得不面对大量起飞减载、返航、备降、取消航班等不正常航班所造成的经济损失。随着经济的快速发展，客货流量迅速增加，这些矛盾日益突出，为解决这一难题，各航空公司先后在部分高原机场进行了RNP验证飞行，并获得成功。例如：2007年8月23日，中国国际航空公司一架采用了RNP区域导航技术的A319型客机顺利降落在拉萨贡嘎机场，这是空中客车在全球的首次RNP成功验证飞行。2008年12月12日上午，国航西南分公司B6237号空客A319飞机在世界海拔最高的昌都邦达机场成功实施了RNP精密导航技术验证飞行。

随着我国北斗二号系统的逐步完善，我国RNP应用必将发展空前。在这种背景下，本文对RNAV/RNP优势做了进一步阐述，并提出了“CDA机场”概念，以希望引起更多相关人员关注“CDA机场”概念及其选址标准，并进行CDA机场可行性研究及其它相关研究，包括机载定位设备失效的应急程序。

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1.西部机场运行环境

1.1 气象环境

我国西部是一个多高原和山地的地区，如有“世界屋脊”之称的青藏高原，还有云贵高原、黄土高原，有昆仑山、横断山脉、秦岭、大巴山等等。因此西部气象条件主要具有高原特点和山地特点：

气温：比同纬度平原地区低，日变化也更大。如丽江、九寨、康定等地机场日温差都在10°以上，有时甚至达到20°。气压：气压较低，各地相差也很大。

空气密度：西部高原山地由于海拔高、气压低、空气密度小，使飞机的空气动力性能变差，起飞着陆时的滑跑距离要加长。风：风速大、风的分布不均和变化显著。

云：高原山区的乱流比一般山地更为强烈。高原山地的云形丰富，多积状云，云高混乱，很少中云。

雷暴和冰雹日数比东部平原地区多几倍。其中青藏高原和西南地区的部分地区年雷暴日数达80天以上。

总之，恶劣的气象条件严重影响飞行正常，比如拉萨航航路风向变化大，机场扬沙现象多，丽江机场受西风影响严重，造成大量航班取消、返航、延误，给航空公司带来很大损失。为解决这一日益突出的矛盾，航空公司便把目光投向了RNP程序。截止2008年底，拉萨、灵芝、昌都、丽江、九寨均先后成功实施了RNP验证飞行。

1.2 空域环境

西部地区受地理限制，机场周边条件复杂，障碍物多，保证飞行安全难度大。机场不得不使用特殊飞行程序，提高飞行标准，从而达到保证飞行安全的目的。比如拉萨/贡嘎机场空域结构比较单一，只有3条航线；飞机进离场程序比较麻烦，航空器只能沿着雅鲁藏布江河谷进行起降，2005年以前只有27号跑道装设有盲降系统，只能实现单向的起降；空域安全性较差，机场四周高山林立，机场没有划设过渡高度和过渡高度层，这对管制员在处理存在冲突的进离场航空器增加了不必要的麻烦（塔台需要和区调协调航空器处于同一基准面）。也要求飞机装有更先进的防撞设备。

1.3 导航设施

由于历史原因，西部地区各方面发展不平衡，机场助航设备较差，而且导航

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台作用距离受地形限制，给飞行安全带来很大影响，因此，要在此基础上开通夜航就需要先进的机载导航设备，最典型的就是星基导航设备和惯性导航设备。

2.区域导航和所需导航性能

2.1 概述

上世纪七十年代，区域导航（RNAV）概念出现并得以应用。RNAV被确认为一种导航方法，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，或在两者配合下沿所需的航路飞行，而不必完全沿导航台飞行。为满足区域导航的要求，国际民航组织（ICAO）的未来航行系统（FANS）特别委员会最常用的方法是强制性地规定在飞机上安装某些设备，但该方法限制了现代机载设备的最佳运用；同时，随着人造卫星的使用，这种方法使得ICAO在选择程序时感到困难。为了克服这些问题，委员会创建了所需导航性能能力（RNPC）的概念，并将RNPC定义为“描述定位精度的一个参数，是对应适当包容度的情况下（航空器）相对于指定或选定航迹的侧向和沿航迹偏离值”。虽然这一概念避免了ICAO从开始就要在竞争的各系统之间做出选择，但是却不妨碍ICAO采纳国际上惯用的各种导航技术。ICAO理事会批准RNPC概念并指派飞行间隔总概念审查专家组（RGCSP）作进一步的详细论证。1990年，RGCSP注意到能力与性能之间明显的区别，空域规划取决于所测的性能而不是所设计成的能力，故将RNPC更改为所需导航性能（RNP）。

2.2区域导航——RNAV

以往，商业飞行根据一个和地面助航设备–例如甚高频全向信标（very-high-frequecy（VHF）omni-directional range（VOR）），测距仪(distance measurement equipment（DME)），无方向性无线电信标（NON-Directional Radio Beacon（NDB））相关的位置引导到另一个助航设备相关位置。由于飞行器一般不能直接飞行直线的航路，这种方法使得航路和程序相对效率偏低，还导致飞行器必须使用一个很大的空域缓冲区来避免空中管制失误。

RNAV最初作为一种从任意固定一点到另一点的导航方法被提出。这些固定点可以用经纬度来确定，飞行器与固定点之间的相对位置也可以通过各种助航手段确定。RNAV建立了一种不需要把航路同地面固定导航站直接绑定的飞行模式。

即飞行员不必按逐台导航的方法飞行，而是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

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飞行。由于卫星导航能实现全覆盖，在空域允许情况下，依靠星基系统的多功能性，或与FMC的配合，飞机容易实现任意两点间的直线飞行，或者最大限度地选择一条便捷航路。

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。

2.3 所需导航性能——RNP

RNP作为应用于某一空域内导航性能的一个概念，既对空域提出要求，也对飞机装备提出要求。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两边XX海里。这就意味着95％总飞行时间内航空器必须在“空域块”内。以规定的RNP1类型的航路为例，在95％总飞行小时内航空器真实位置必须保证在规定航前或后、或左或右，1海里以内。RNP类型值决定了到规定航路点允许的距离误差。下面介绍一下RNP以精度划分的类型和ICAO RNP容量参数如表1。

表1.必备导航性能精度数值

RNP /RNAV 类型 RNP 1 RNP 4 B-RNAV（RNP 5） RNP 10 RNP 12.6 RNP 20 指定空域精度 ± 1.0 n mile ± 4.0 n mile ± 5.0 n mile ± 10.0 n mile ± 12.6 n mile ± 20.0 n mile RNP能应用于从起飞一直到着陆的全过程，不同飞行阶段要求不同RNP类型，适用于起飞着陆的RNP类型精度要求很高，适用于航路上的RNP类型精度要求要低一些。

RNP类型由相关RNP空域的精度值决定。

RNP类型，可提供精密仪表进近和需考虑超障的离场。当前只在经过特别批准的航空公司运行的特别地区，比如仅阿拉斯加航空公司在朱诺机场的RNP运行。

RNP1系指以计划航迹为中心，侧向( 水平 )宽度为±l海里的航路。RNP1提供最精确的位置信息以支持灵活航路。从机场终端区到航路，对运行、进离港程序、空域管理都是极为有益的，被认为是能支持ATS航路的最为有效的运行。RNP1也可称为精密RNAV( PRNAV )，目前仅有限地应用于特定空域。 RNP4被设计用于一定距离的地基导航台之间的航路和空域，通常在大陆空

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域。

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B RNAV(基本区域导航)，RNP5是过渡性标准，起源于RNP4，该标准允许实施R N P 程序来使用目前的导航设备而无需改变航路结构。这旨在使空域设计和有利于潜在使用者方面有着更大的灵活性，如更多的直飞航路和更省油。RNP5可通过传统的航路导航设备(如VOR／DME)来实现。

RNP10应用于远洋和偏远缺少导航台的区域。目前，是北大西洋和中、北太平洋运行标准。

RNP12.6有限用于缺少导航台空域的优化航路。

RNP20支持最低空域容量的ATS航路运行。在实际应用中，RNP12.6 和RNP20很少使用，也没有这样分类的空域。

划分RNP区域类型可以按整个空域、局部空域或空域中的一条航路或一组航路去进行，也就是说，可以规定一条航路、一组航路、一个区域、整个区域，或在空域中选定的任何规定尺寸空间的RNP类型。因而，按RNP划分空域区域类型，为在设计航路时充分发挥空域的潜在使用能力提供了强有力的保证，从而达到提高空域利用率和区域运行效率的目的。

通常一个空域应该规定单一的RNP类型，但RNP类型在一个给定的空域内是可以混合的，空管局既可以根据需要批准一个特定RNP类型的ATS航路，也可以根据实际情况采用混合RNP类型。规定单一的RNP类型使同类的飞行活动有效地运行在同一空域内，避免由于不同类型的运行而造成空域中间隔不一。采用混合RNP类型使不同类的飞行活动运行在同一空域内，空域中航空器的间隔不一，但经适当的安排可使航空器保持各自的间隔。

3．RNAV/RNP航线结构

3.1 RNP区域导航的航线优势

RNP区域导航技术的应用，使航空器在规定精度范围内的任何空域不必直接飞越陆基导航设施，在西部机场的实际应用也表明RNP区域导航与常规的导航方式相比，其航线结构的优点众多：（1）建立直接的航线，从而减少飞行距离；（2）建立复式或平行航路，（3）以容纳更大的交通流量；（4）按计划或根据特殊情况建立备用或临时（应急）航线；（5）为等待航线建立最佳的区域；（6）减少地面导航设施的数量。其中较突出的是建立直接航线和复式平行航线。

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图 1 RNP航路有航程和流量优势

如图1，传统导航方式下从A飞到B，飞行员必须沿导航台A—o—p—q

—B逐一飞行；RNP区域导航技术下，飞行员可以沿直线航路（FANS航线）飞行，并且可以建立多条平行航路，从而提高了飞行效率，降低了耗油量，增加空域资源利用率，具有显著的安全和经济效益。

3.2 FANS航线计算

ICAO 规定全球民航统一采用WGS-84 坐标系统，按照WGS-84坐标系计算FANS航线是主要的手段，依据地球赤道长半径a=6378137m，极轴短半径b=6356752m，扁率f=1/298.257计算的，计算结果精确，但本文不深入介绍这种方法，由于地球极半径与赤道半径相差不大，为简化计算，将地球近似看做正球体，并用经纬度来进行计算。

如图2，设A、B两点为地球表面上任意两点，A、B两点的经纬度分别为（?1，

?1）、（?2，?2）（规定东经正西经负，北纬正南纬负）。AB弧即是所求的航线距

??离。

令A点所在的经线和纬线与B点所在的经线和纬线分别交于A和B，四点连线构成一个等腰梯形，计算出该梯形的两底及腰，再算出梯形对角线和弧AB。

设A点所在的经线和纬线与B点所在的纬线和经线分别相较于A?和B?。分别用直线连接这四点成四条玄，这四条玄构成一个等腰梯形AB?BA?，即AA?=B?B。

以这个梯形的两腰分别作底边、以地心O点作顶点，做出两个等腰三角形

?BOB?和?AOA?。这两个三角形的顶角?BOB?=?AOA?=?1??2。

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AA?=B?B=2Rsin?1??22 （1）

设r1和r2分别为B和A的自转半径，则有

r2= Rcos?1

r1=Rcos?2 （2）