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更高精度,更多安全:航空新技术系列报道

编辑: 发布时间:2011-01-04 09:00:00 来源: 查看次数:2895次

  [摘要] 由于PBN运行的核心是基于全球导航卫星系统(GNSS)的卫星导航,因此航空器导航精度和导航性能得到大幅提高,既能保持精确水平航迹飞行以避让周边障碍物及航空器,又能建立直线和连续下降稳定进近,可提高飞行和运行安全等级。

  编者按:

  改革开放30多年来,中国民航保持了年均17.6%的增长速度,运输总周转量从2005年起到现在始终稳居世界第二位。然而,中国民航在持续快速发展的同时,也出现了一系列的新情况和新问题,如空域资源紧张、繁忙机场容量趋于饱和等。要解决这些新问题,离不开大量先进航空新技术的支撑。航空新技术的应用,是当前国际民航界高度关注的热点问题,也是中国民航始终予以全力推进的一项重点工作。今年6月6日~7日,中美航空新技术论坛在北京召开,再次强调了航空新技术在中国民航持续快速健康发展过程中的重要作用。为了促进相关新技术的常识普及和推广应用,本版从今天起将陆续推出关于航空新技术的专题报道,涉及导航、监视和通信、低能见度运行、节能减排等方面。今天将推出关于PBN、GLS和北斗卫星导航系统的报道。

  业内人士都知道,高精度导航定位是民用航空器安全飞行和运行的基础。因此GPS作为全球导航卫星系统的典范早已被用到民航领域,目前几乎所有民用航空器上都有GPS导航接收机。依赖GPS高精度导航的PBN技术,整合了原有相关飞行技术,以期充分发挥卫星导航和航空器性能,解决空域受限、陆基导航台覆盖不足、机场终端区障碍物复杂等诸多问题。同样,以GPS高精度导航为核心的GLS技术,对降低运行成本、提高运行效率发挥着重要作用。PBN、GLS对解决我国民航发展过程中出现的问题和提高我国民航安全水平具有重要意义。

  目前全球卫星导航应用领域几乎被GPS垄断,而卫星导航系统在国防和国民经济建设中的地位又越来越重要,因此建设具有完全自主常识产权的北斗卫星导航系统对我国具有重要意义。在北斗卫星导航系统建成后,它将被纳入GNSS系统,并为全球民航提供服务,也将标志着中国民航向民航强国又迈进了一步。届时,PBN、GLS技术都将运用北斗卫星进行导航定位。

  GLS:让着陆更灵活

  目前,我国民用机场主要以仪表着陆系统(ILS)作为飞机进近着陆手段,但ILS系统的一些缺陷和弊端逐渐成为制约航班量增长的瓶颈。随着卫星导航技术的发展,GBAS着陆系统(GLS)已逐渐完善,有望在一定程度上解决我国民航发展过程中出现的新问题。

  基于GBAS的星基精密进近着陆系统

  在了解什么是GLS之前,需要先了解什么是GBAS(地基增强系统)。GBAS系统是一个综合了空中、地面、机载设备的集成系统。其主要用途是为机场附近的航空用户提供GNSS空间信号增强服务,以支撑民用航空器实现高精度进离场和精密进近。

  GBAS系统的组成包括3个部分:空中卫星子系统、地面站子系统、机载子系统。GBAS空中子系统包含GPS、GLONASS和SBAS卫星,向用户接收机提供导航定位卫星信号。

  GBAS地面站子系统由3部或4部地面参考接收机、1台VHF数据广播电台(VDB)和其他配套设备组成,VDB向机场周边广播GNSS增强信号。

  GBAS机载子系统由一套或多套GBAS接收机/多模式接收机(MMR)和配套件组成。接收机接收空中导航卫星信号和VDB广播的增强信号,经过处理后可以获得比基本接收机更高的导航定位精度、更优的导航性能,以满足民航高性能的终端区导航和精密进近的要求。

  GLS是一种基于GBAS的星基精密进近着陆系统,包括精密导航定位、飞行指引和着陆功能。实施GLS进近着陆,其飞行操作和仪表显示与ILS类似。GBAS所提供的进近服务,能满足一类精密进近的要求,并提供水平、垂直偏差指引。GBAS还具备支撑二类和三类精密进近、机场场面滑行引导的潜能。它所提供的终端区进离场服务,支撑水平区域导航(RNAV)飞行运行。在已经建立RNP进近能力的机场,依靠GBAS系统可以为航空器提供更优的导航性能。

  GLS进近原理

  在实施GLS进近时,通过在机载导航控制面板上选择通道号来选择GLS进近程序。GLS通道号为5个数字,一个通道号对应一个最后进近航段(FAS)数据块,亦即对应一个GLS进近程序。在选定通道号后,GBAS机载子系统将自动调定一个VHF频率,接收地面VDB广播的希望FAS数据块。

  部分GBAS进近FAS数据块存储在机载导航数据库中,通道号范围为40000~99999,以支撑基于GBAS的类精密进近程序(APV)运行,如RNP进近。如果GBAS进近FAS数据块由地面VDB广播,则通道号范围为20001~39999。

  值得注意的是,对于ILS进近来说,一条仪表跑道只对应一个同一等级的ILS进近程序。而对于GLS进近来说,一条仪表跑道可以对应多个同等级的GLS进近程序。因此,与ILS相比较,GLS具有较强的灵活性。

  我国民航计划于近期开展GLS进近验证飞行实验,验证GLS进近相关性能和在我国民航建立GLS进近能力的可行性。在GLS满足运行要求后,我国民航将在有需要的机场和相关航空器上建立GLS运行能力。

  GLS进近优势

  与传统ILS和MLS(微波着陆系统)进近相比较,基于GBAS的GLS精密进近具有典型优势,这些优势归纳起来包括:

  一是降低运行成本。GBAS通过广播的进近数据块来灵活定义进近航迹,因此在一条仪表跑道上,可建立多种进近方式。一个机场的多条跑道仅使用一套GBAS地面系统就能满足所有仪表跑道精密进近的需求。

 二是多类型航空器混合运行。GBAS可以为不同类型航空器提供独立进场、进近和离场引导。

  三是对运行环境要求较低。由于ILS和MLS地面设备对安装位置和运行环境要求较高,在有地形和建筑区限制的机场,可能不适合安装相关地面设施,导致不能建立ILS和MLS精密进近能力。相比较而言,GBAS地面设备对安装位置和运行环境的要求较为灵活。在ILS运行困难的机场,更容易建立GLS进近,实现类ILS的精密进近。

  四是缩小进近航空器间隔。在最后进近航段上,前面的飞机不会遮挡后面飞机的GBAS信号,因此可在一定程度上缩小进近前后飞机的间隔。

  五是信号干扰小。GBAS地面广播的VDB信号,不存在航向道和下滑道弯曲问题,其障碍物反射和多路径效应没有ILS信号敏感。

  六是测距更精确。在最后进近阶段,GLS进近利用高精度定位获取距跑道入口的距离,其精度高于DME测距精度。

  七是降低VHF频率需求。GBAS在同一频率可支撑多条跑道多个精密进近程序,而ILS一个频率只能支撑一条仪表跑道精密进近。

  八是避免过早进近。在ILS服务区以外,如果过早捕获航向道信号,可能导致飞行员过早开始切入航向道。由于GBAS有服务边界限制,GLS进近中不存在这一问题。

  九是支撑曲线最后进近。曲线进近程序可根据临时情况定制进近程序,并实施利用VDB将数据块发送给进近航空器。这一特点提高了飞行和管制的灵活性,增加了机场流量。

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  PBN:飞行运行方式的变革

  近年来,中国民航的发展速度始终高于GDP的增长速度,这种持续快速发展也带来了一系列新问题:繁忙机场客运、货运流量增长快,机场容量迅速趋于饱和;乘客已经登机了,但被告知因为流量控制还要等待半个小时才能起飞……这些问题的症结到底在哪里?有没有行之有效的解决办法?为解决这些问题,中国民航近年来大力推广一系列飞行新技术,基于性能的导航(PBN)就是其中一种。

  点对点的精密飞行

  PBN是一个现代飞行和运行概念,有别于传统飞行和运行。传统飞行主要采用导航台到导航台飞行的模式,而PBN则采用坐标点到坐标点的飞行模式。它是指在规定空域概念(即通信、导航、监视设施和空中交通管理能力)下,航空器在指定空域内或者沿航路、仪表飞行程序飞行时,对航空器机载导航系统的精度、完好性、可用性、连续性和功能性等所提出的一系列要求。

  PBN运行包含区域导航(RNAV)运行和所需导航(RNP)运行。由于目前卫星导航水平精度最高,因此无论选用哪种PBN导航规范运行,航空器导航首选导航源均是卫星导航。

  RNAV导航规范,分为航路和终端区两类。它主要用于陆基导航设施、监视设施建设和覆盖比较完善的航路、大中型机场。无论是在航路上还是机场终端区实施RNAV运行,在地面上均须建立监视能力。

  与RNAV导航规范不同,RNP导航规范分为航路、终端区和进近三类。实施RNP运行,地面可以没有雷达监视,但是航空器机载系统必须具备机载性能监视和告警能力(RNP 10除外)。

  RNP航路导航规范,主要用于陆基导航设施或监视设施缺乏的海洋、边远地区,如成都—拉萨航线。RNP终端区导航规范,主要用于陆基导航设施不完善、缺乏终端监视能力的机场,如三亚凤凰机场。RNP APCH进近导航规范主要用于地形条件、空域环境较好的机场,RNP AR进近导航规范主要用于地形条件或者空域环境恶劣的机场。

  传统非精密进近和精密进近属于相对定位进近,RNP进近水平属于绝对定位进近,垂直属于相对定位进近。RNP进近需要可靠的水平定位结果,垂直高度来源于气压高度。在RNP进近过程中,需要时刻监控卫星导航的完好性和可用性,并且有高温和低温的运行限制。因此,在有ILS进近设施和进近能力的机场应首选ILS进近,否则RNP进近将作为首选。

  让飞行更安全更灵活

  PBN运行的本质,是从传统的陆基导航过渡到先进的卫星导航,因此在导航性能和运行能力上都有很大的提高。其作用和优势主要表现在:

  一是改善导航性能,确保持续安全。由于PBN运行的核心是基于全球导航卫星系统(GNSS)的卫星导航,因此航空器导航精度和导航性能得到大幅提高,既能保持精确水平航迹飞行以避让周边障碍物及航空器,又能建立直线和连续下降稳定进近,可提高飞行和运行安全等级。

  二是降低着陆标准,提高航班正点率。由于RNP进近可以依赖任何陆基导航设施,使用高精度卫星导航可以缩小保护区间隔、降低着陆标准,因此可以减少航班延误,提高航班正点率。

  三是优化飞行路径,节能减噪。PBN运行所采用区域导航方式,实现航路点到航路点飞行,航路结构可以不受陆基导航台的约束。因此可以根据需要优化飞行路径,合理避让障碍物、噪音敏感区和专用空域,减少航路里程。

  四是缩小飞行间隔,提高空域利用效率。PBN运行因为缩小了航路横向保护区间隔,在繁忙航路上可建立平行航路,从而提高空域和航路的利用率。

  五是减少陆基设施,降低运行成本。RNP进近不依赖任何陆基导航设备,可以大大降低运行成本。

  六是减少陆空通话,降低工作负荷。PBN运行可以大大降低陆空通话的内容和频率,减少空地工作负荷,在繁忙机场可以显著提高管制效率、缩小飞行间隔、提高机场流量、提高飞行运行安全等级。

  全球PBN实施计划

  PBN是国际民航界近年来广泛推广的一项飞行新技术,包括美国、欧洲在内的世界各国都正在积极推进。

  目前,美国已经在数百个机场实施了PBN运行。欧洲安全局也制订了相应的PBN实施计划。2007年,日本民航局发布了《RNAV路线图》,确定了日本实施PBN的具体时间框架。目前,澳大利亚也正在开展PBN的推广工作。

  早在1998年,中国民航就在西部地区建立了第一条RNP 4航路,并于2001年正式投入运行。2003年2月,在天津滨海机场进行了RNAV进离场程序试验飞行。2003年7月,在首都机场试飞了RNAV程序。2005年,在拉萨机场成功试飞了RNP AR进近程序。

  从2008年起,中国民航全面推进PBN的应用工作。民航局在2009年10月发布了《中国民航PBN实施路线图》,明确了PBN实施的3个阶段,计划于2015年底前在全国全面实施PBN运行。为加快推进PBN在民航的应用,民航局先后发布了8部相关法规和咨询通告,构建了完善的PBN法规体系。

  目前,中国民航PBN运行正在分阶段、按步骤有序地推进中。截至2011年底,中国民航先后完成了40个机场的PBN程序应用实施工作,计划截至2012年底完成共计约100个机场的PBN实施工作。

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  北斗:在民航业开启广阔天地

  说到卫星导航,大家都不陌生。你的爱车可能加装有GPS卫星导航仪,你的手机可能具备GPS卫星导航功能。当然,你旅行时所乘坐的飞机,同样也加装有卫星导航设备,而且是导航性能更好的GPS卫星导航接收机。作为我国完全自主常识产权的北斗卫星导航系统(简称“北斗”,BD),将来会被用在民航客机上吗?其建设情况如何?中国民航考虑如何应用它呢?

  北斗的发展背景与进展

  为了确保航空器安全飞行,必须依靠导航技术和导航系统。随着民用航空器的发展,国际民航界先后出现了地标罗盘导航、陆基无线电导航等传统导航技术和系统。上世纪50年代末60年代初,美国开始出现卫星导航技术。经过多年的建设,美国与俄罗斯先后建成了全球定位系统(GPS)和格洛纳斯(GLONASS)系统。

  由于GLONASS系统长期没有足够的可用卫星为用户提供服务,目前全球卫星导航应用领域几乎被GPS所垄断。几乎所有的民用航空器上都加装有GPS接收机或导航仪,为民航飞行运行提供相关服务。

  早在1983年,我国就提出了北斗卫星导航系统的建设计划,旨在为海上舰船提供导航服务。1994年,我国正式立项开始建设双星快速定位通信系统。2004年4月,由3颗同步卫星组成的北斗卫星导航实验系统建成并投入使用,标志着我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

  由于卫星导航系统在国防和国民经济建设中的地位越来越重要,2004年我国启动了北斗卫星导航系统工程建设。按照计划,北斗卫星导航系统建设分两步走,第一步是在2012年底向中国和周边区域提供服务,第二步是在2020年底向全球提供服务。目前,我国正稳步推进北斗卫星导航系统的建设。截至2012年4月30日,已成功发射了13颗北斗导航卫星。

  北斗的组成与性能

  北斗是我国自主建设、独立运行、并与世界其他卫星导航系统兼容的全球卫星导航系统。它由空间星座、地面控制和用户终端组成。

  空间星座部分由5颗地球静止轨道(GEO)卫星和30颗非地球静止轨道(Non-GEO)卫星组成。Non-GEO卫星由27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。

  地面控制部分由若干主控站、注入站和监测站组成。主控站负责整个系统的任务规划与调度,实现系统运行控制和管理等;注入站向北斗卫星发射相关导航电文和控制指令;监测站实现对卫星的连续跟踪监测。

  用户终端部分指各类北斗用户终端,以及与其他卫星导航系统兼容的终端,比如民航机载北斗导航仪。

  北斗卫星导航系统建成后将为全球用户提供卫星定位、测速和授时(PVT)服务,并为我国和周边地区用户提供定位精度优于1米的广域差分服务和120个汉字/次的短报文通信服务。

  广阔的应用前景

  中国民航局高度重视北斗的应用,积极参与北斗验证试飞和相关工作,并本着“先监视、后导航”的应用策略,计划首先在通用航空领域开展飞行验证和示范应用。在北斗系统建成并满足飞行和运行要求后,中国民航将逐渐推广北斗在全民航的应用。

  可以预见,在北斗卫星导航系统建成后,它必将被纳入GNSS系统中,并广泛应用于民用航空领域。与现有GPS系统相比,北斗还拥有短报文功能。因此对民航而言,北斗比GPS具有更大的应用空间,归纳起来包括:

  一是航空器导航。我国作为北斗的建设国和主权国,将北斗用于我国民用航空器导航势在必行。

  二是飞行运行监视。基于北斗的广播式自动相关监视(ADS-B),在民航运行监视领域具有广阔的应用前景。

  三是授时和通信。北斗的高精度授时功能,可以为民航空地、地地、空空通信提供时间基准。同时,北斗特有的短报文功能,可用于民航空地之间的通信,特别是民航搜索和救援领域。

  四是其他特殊应用。利用基于差分技术的卫星导航和参数测量,在民航新机型、新设备的设计、定型、测试和飞行验证中,北斗将发挥重要的作用。

(转自《中国民航报》)

赣公网安备 36070002000234号

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