PBN物語_民航新聞_民航資源網

　　平時跟同事聊到PBN這個話題，感覺這是一個自己總在工作中遇到、卻又不能全面透徹了解的概念。最近，筆者認真查閱了相關的文獻和規章，把自己之前模糊的部分概念整理出來，在此寫一些心得。PBN運行內涵很廣，本文不能全面俱到，只是儘量把和飛行相關的內容梳理出來，如有謬誤，請業內人士指點。

　　1.PBN RNP RNAV的關係、含義和由來；

　　RNAV（Area Navigation）

　　圖：傳統航路

　　最早的航線飛行中，電臺（VOR、NDB等）是主要的導航依據，飛機跟著電臺的信號走。可想而知，電臺的設立受地形影響極大，因此相對應的航線設計和空域的使用也隨之大受制約。

　　後來隨著衛星導航（如GPS系統）的應用，人們引入了RNAV（區域導航）的概念，RNAV的一大技術突破就是利用衛星技術將經緯度坐標納入導航點的設定。

　　同時RNAV本質上說，是一種傳感信號源導航，其導航源不僅包括全球導航衛星系統，還包括傳統的電臺導航（如VOR/DME）。

　　RNAV的應用，使得空域和航線的規劃脫離了地形和傳統儀表導航設備的制約，如下圖所示：

　　圖：RNAV航路

　　RNP（Required Navigation Performance）

　　隨著RNAV的應用，人們發現RNAV一個重要的技術缺陷，就是缺少機載設備導航能力的自我監督，因此在RNAV的運行中，飛機的飛行狀況始終需要管制人員的雷達監控，由於很多地方雷達管制難以覆蓋，為了進一步利用空域資源，人們給具備RNAV能力的飛機又添加了自我導航能力監控設備。

　　於是RNP（所需導航性能）的概念應運而生。

　　RNP的概念簡單理解就是為具備RNAV導航能力的飛機提供自我導航精度監控的能力，這樣做的意義就是能使飛行在雷達管制覆蓋不到的地方也可以實施。

　　同時可想而知，RNP航路的設計上，自我監督能力的實現使得導航精度提高，航路可以規劃得更窄更靈活。

　　但是，RNP技術的應用使得航空公司、設備商、管制單位以及民航當局之間產生了矛盾——如果航空公司願意，他們可以憑藉財力引入任何先進設備，那麼管制當局改如何在現有的航線體系下來提供服務？民航當局既要考慮批准不斷出現的新技術，同時也要思考新技術帶來的安全隱患和其他管理成本。

　　因此，國際民航組織（ICAO）針對這一現象出來了相應的規章（如《ICAO-Doc9613》），來對RNAV和RNP做出相應的規範，因此，PBN（性能基導航）的概念就出現了。

　　PBN（Performance Based NAvigation）

　　基於上述提到的種種矛盾，國際民航組織在提出PBN時，是緊密結合空域設計理念的。空域的概念包含了通信、監督、管理以及導航，其中導航當仁不讓是重中之重，而導航的最重要核心是PBN，PBN最重要的就是Performance（性能）。

　　那麼如何描述「性能」呢？它主要有三個部分組成：Navigation Specification（導航規範）、Navigation Application（導航應用）、Navigation Infrastructure（導航設施）。這三個當中與飛行最相關也是最核心的就是導航規範，它實際上是對運營人實施PBN運行進行了程序、設備、人員資質等等的規定。

　　由於技術等原因，很多空域和機場設施依舊只有RNAV能力，而有些空域和航空器具備了PNP能力，因此PBN的範疇裡，不僅包括RNAV導航規範，也包括了RNP導航規範。其基礎內容如下：

　　圖：導航規範

　　在RNAV和RNP不同種類的規範中，其準精度以海裡數表示，即在95%的時間內應達到的導航精度，例如RNAV 5要求在飛行的95%的時間內，導航精度達到航線左右5（nm）海裡（95%概率）。常用的RNP精度值為10、5、4、2、1、0.5、0.3，甚至0.15，數值越小，精度越高。

　　2．機載設備的性能要求

　　準確性：航空器必須滿足在95%的總飛行時間內，橫向TSE和沿航跡誤差必須不大於要求的導航精度。

　　完好性：有航空器導航設備故障導致TSE超過RNP值兩倍，被認為是主失效情況。

　　連續性：如果運營人能夠使用其他導航系統，並能安全地飛往適當的機場降落，則失去功能被認為次要失效情況。

　　性能監控和告警：飛行中當沒有滿足準確性要求，RNP系統提供相應警告。

　　3.RNAV（GNSS）、RNAV（GPS）、RNAV（RNP）有何區別？

　　GNSS（Global Navigation Satellite System）

　　GNSS是一個包含GPS、GLONAS以及GALILEO在內的衛星導航系統。美國機場的進近航圖往往會標識有RNAV（GPS）進近，表示導航源來自美國GPS系統，而美國以外的進近航圖都會顯示GNSS，其導航原理大致類似。

　　例如倫敦機場的進近圖中，就有標識著RNAV（GNSS）的進近圖。

　　圖：RNAV（GNSS）

　　而洛杉磯的進近圖中顯示RNAV（GPS）。

　　圖：RNAV（GPS）

　　綜上，我們可以把RNAV（GNSS）和RNAV（GPS）看做同類型的進近模式，他們往往要求起始進近航段和中間進近航段達到1.0nm的精度，而最後進近航段達到0.3nm的精度。

　　而RNAV（RNP）則要求達到更精確的0.1nm精度，並且最後進近航段可以是非直線的RF（Radius to Fix）航段，其保護區的規定也更加嚴格。

　　注意：一般RNAV（GNSS）和RNAV（GPS）指的是RNP APCH；而RNAV（RNP）指的是RNP AR。

　　4.什麼是FRP、FRT和RF？

　　FRP：Fixed Radius Paths 固定半徑航跡

　　固定半徑航跡在PBN飛行中有著重要的意義，也是終端區和航路轉彎航路設計的基礎理念，FRP有兩類，一類指終端區進近程序中特定的轉彎半徑RF，RF（即固定半徑轉彎）航段指開始並終止於定位點，有確定轉彎圓心和半徑的圓弧航徑。RF如下圖所示：

　　圖：RF

　　FRP的另一種形式，指的是主要運用在航路上的轉彎航路設計，由RNP系統計算飛機從一段航路過渡到另一段航路的弧形轉彎路徑。

　　圖：FRT

　　根據FRT設計原理我們有了預計航路，可實際飛行中，飛機的性能和外界條件各不相同，因此實際計算出來的航徑和設計航徑總有誤差，PBN誤差的概念也相應而生。

　　5．關於誤差

　　PBN運行中有多種誤差，筆者在此梳理一下各種誤差，理解這些誤差對於了解PBN運行有重要意義。

　　PDE航徑定義誤差：定義航徑與要求航徑之間的差別。

　　FTE飛行技術誤差：控制飛機的精度，根據飛機指示位置與期望位置之間的差異來確定。FTE不包括操作失誤所引起的誤差。

　　NSE導航系統誤差：真實位置與估計位置之間的差值，也稱為位置估計誤差。（PEE）

　　TSE總系統誤差：實際位置相對於期望位置的偏差。TSE等於前三種誤差的矢量和。

　　圖：誤差

　　其中，根據IACO9613文件（如下截圖），TSE標準差的平方等於前三者標準差的平方和，且TSE呈高斯分布。

　　圖：TSE

　　聽到上述結尾的話，可能很多人會糊塗，什麼是標準差？什麼是高斯分布？首先，理解這些概念不難，而弄清這些概念，可以很好的幫助我們理解下一部分的內容。

　　6.95%從哪裡來？為什麼是95%？到底是時間還是概率？

　　首先，筆者先闡明結論：

　　-當我們描述PBN性能之一準確性（accuracy）的時候，通常的表述是：要求飛機95的概率在預期航線XX海裡以內；

　　-而當我們描述精確度的時候，我們往往說：要求飛機在95%的時間內，達到XX海裡的精確度。

　　標準差（Standard Deviation）是各數據與均值間差值（離差）的平方和後的方根，用σ表示。實際飛行中，標準差可以理解為實際位置與預期位置偏離的大小程度。

　　而實際飛行中，飛機的機載設備會搜集大量的位置偏航信息數據（TSE），每次機器所取樣本偏航數據的用x表示（樣本均值），而總體飛行位置偏航數據則用希臘字母μ表示（總體均值）。

　　這好比飛機位置的所有數據被放在一個大籃子裡，我們每隔一小段時間，就伸手把這一時間段內的部分數據抓出來測量。大籃子裡的數據為全體數據，而每次抓的一把數據為樣本數據，我們期望兩者的均值相等。

　　在統計中，我們稱總體均值μ為數學期望，同時當樣本量足夠大，抓取的次數夠多，我們可以相信x=μ=0（見下圖中線）。對於實際飛行而言，這條中線意味著：我們期望飛機始終在預期的航線飛行且沒有任何偏離。

　　然而實際飛行中，誤差總會有。

　　因而飛機測得的實際TSE，總是在代表期望為0的直線兩側分布。人們測量誤差時，很少直接說：「某點距離和均值相差多少海裡」，而是會說：「某點和均值之間，相差了多少個標準差σ」

　　這裡，我們只需要用TSE去除以σ，得到TSE距離代表0誤差的直線有幾個標準差。

　　由上文可知TSE呈高斯分布（即正態分布）（如下圖所示）。

　　圖：正態分布（高斯分布）

　　由於樣本平均TSE呈正態分布，在正態分布圖中，曲線下方的表示TSE分布概率，其總面積等於1（100%概率），也就是說所有TSE都在這個曲線下方分布。

　　所以上圖也可以看做是TSE的概率分布圖，兩側可以表示飛機偏移到航路一側的概率分布。

　　在大量的實驗中，人們還發現正態分布中：

　　總是有大約95%的樣本分布在均值兩側2個標準差σ所包含的面積區域內

　　總是有大約99.999%的樣本分布在均值兩側4.45個標準差σ所包含的面積區域內

　　然而，如果我們期望樣本的均值在兩個標準差內，我們就必須接受5%的容錯率，而從統計學起始，人們在大量行業和領域約定：5%是可接受的容錯率，小於這個概率往往被稱為小概率事件，而95%的準確率，被視為可以接受得準確性。

　　因此，我們可以看出，當我們要求RNAV導航精確度，以95%的概率達到4海裡，那麼我們可以得出TSE最大值不能超過兩個標準差，也就是一個標準差σ的範圍約為2海裡。

　　有些RPN運行甚至要求達到99.999%的準確性，也就是說我們希望樣本均落在期望值左右4.45個標準差內，如果是RNP4航路，我們希望σ=4/4.45，標準差σ值小於1海裡。

　　由此可見，標準差越小，說明TSE變化的範圍越窄，導航準確度越高。

　　看了上面的解釋，想必大家也會明白95%同樣可以用於對時間的期望。

　　綜上所述，

　　-當我們描述PBN性能之一準確性（accuracy）的時候，通常的表述是：要求飛機95的概率在航線XX海裡以內；

　　-而當我們描述精確度的時候，我們往往說：要求飛機在95%的時間內，達到XX海裡（95概率）的準確性。

　　（重要的結論再重複一遍）

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（供稿：中國國際航空股份有限公司飛行總隊， ）

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