科普贴：PBN物語

本文转载自：民航资源网

平时跟同事聊到PBN这个话题，感觉这是一个自己总在工作中遇到、却又不能全面透彻了解的概念。最近，笔者认真查阅了相关的文献和规章，把自己之前模糊的部分概念整理出来，在此写一些心得。PBN运行内涵很广，本文不能全面俱到，只是尽量把和飞行相关的内容梳理出来，如有谬误，请业内人士指点。

　　1.PBN RNP RNAV的关系、含义和由来；

　RNAV（Area Navigation）

　　图：传统航路

　　最早的航线飞行中，电台（VOR、NDB等）是主要的导航依据，飞机跟着电台的信号走。可想而知，电台的设立受地形影响极大，因此相对应的航线设计和空域的使用也随之大受制约。

　　后来随着卫星导航（如GPS系统）的应用，人们引入了RNAV（区域导航）的概念，RNAV的一大技术突破就是利用卫星技术将经纬度坐标纳入导航点的设定。

　　同时RNAV本质上说，是一种传感信号源导航，其导航源不仅包括全球导航卫星系统，还包括传统的电台导航（如VOR/DME）。

　　RNAV的应用，使得空域和航线的规划脱离了地形和传统仪表导航设备的制约，如下图所示：

　　图：RNAV航路

RNP（Required Navigation Performance）

　　随着RNAV的应用，人们发现RNAV一个重要的技术缺陷，就是缺少机载设备导航能力的自我监督，因此在RNAV的运行中，飞机的飞行状况始终需要管制人员的雷达监控，由于很多地方雷达管制难以覆盖，为了进一步利用空域资源，人们给具备RNAV能力的飞机又添加了自我导航能力监控设备。

　　于是RNP（所需导航性能）的概念应运而生。

　　RNP的概念简单理解就是为具备RNAV导航能力的飞机提供自我导航精度监控的能力，这样做的意义就是能使飞行在雷达管制覆盖不到的地方也可以实施。

　　同时可想而知，RNP航路的设计上，自我监督能力的实现使得导航精度提高，航路可以规划得更窄更灵活。

　　但是，RNP技术的应用使得航空公司、设备商、管制单位以及民航当局之间产生了矛盾——如果航空公司愿意，他们可以凭借财力引入任何先进设备，那么管制当局改如何在现有的航线体系下来提供服务？民航当局既要考虑批准不断出现的新技术，同时也要思考新技术带来的安全隐患和其他管理成本。

　　因此，国际民航组织（ICAO）针对这一现象出来了相应的规章（如《ICAO-Doc9613》），来对RNAV和RNP做出相应的规范，因此，PBN（性能基导航）的概念就出现了。

　　PBN（Performance Based NAvigation）

　　基于上述提到的种种矛盾，国际民航组织在提出PBN时，是紧密结合空域设计理念的。空域的概念包含了通信、监督、管理以及导航，其中导航当仁不让是重中之重，而导航的最重要核心是PBN，PBN最重要的就是Performance（性能）。

　　那么如何描述“性能”呢？它主要有三个部分组成：Navigation Specification（导航规范）、Navigation Application（导航应用）、Navigation Infrastructure（导航设施）。这三个当中与飞行最相关也是最核心的就是导航规范，它实际上是对运营人实施PBN运行进行了程序、设备、人员资质等等的规定。

　　由于技术等原因，很多空域和机场设施依旧只有RNAV能力，而有些空域和航空器具备了PNP能力，因此PBN的范畴里，不仅包括RNAV导航规范，也包括了RNP导航规范。其基础内容如下：

　　图：导航规范

　　在RNAV和RNP不同种类的规范中，其准精度以海里数表示，即在95%的时间内应达到的导航精度，例如RNAV 5要求在飞行的95%的时间内，导航精度达到航线左右5（nm）海里（95%概率）。常用的RNP精度值为10、5、4、2、1、0.5、0.3，甚至0.15，数值越小，精度越高。

　　2．机载设备的性能要求

　　准确性：航空器必须满足在95%的总飞行时间内，横向TSE和沿航迹误差必须不大于要求的导航精度。

　　完好性：有航空器导航设备故障导致TSE超过RNP值两倍，被认为是主失效情况。

　　连续性：如果运营人能够使用其他导航系统，并能安全地飞往适当的机场降落，则失去功能被认为次要失效情况。

　　性能监控和告警：飞行中当没有满足准确性要求，RNP系统提供相应警告。

　　3.RNAV（GNSS）、RNAV（GPS）、RNAV（RNP）有何区别？

　　GNSS（Global Navigation Satellite System）

　　GNSS是一个包含GPS、GLONAS以及GALILEO在内的卫星导航系统。美国机场的进近航图往往会标识有RNAV（GPS）进近，表示导航源来自美国GPS系统，而美国以外的进近航图都会显示GNSS，其导航原理大致类似。

　　例如伦敦机场的进近图中，就有标识着RNAV（GNSS）的进近图。

　　图：RNAV（GNSS）

　　而洛杉矶的进近图中显示RNAV（GPS）。

　　图：RNAV（GPS）

　　综上，我们可以把RNAV（GNSS）和RNAV（GPS）看做同类型的进近模式，他们往往要求起始进近航段和中间进近航段达到1.0nm的精度，而最后进近航段达到0.3nm的精度。

　　而RNAV（RNP）则要求达到更精确的0.1nm精度，并且最后进近航段可以是非直线的RF（Radius to Fix）航段，其保护区的规定也更加严格。

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

　　4.什么是FRP、FRT和RF？

　　FRP：Fixed Radius Paths 固定半径航迹

　　固定半径航迹在PBN飞行中有着重要的意义，也是终端区和航路转弯航路设计的基础理念，FRP有两类，一类指终端区进近程序中特定的转弯半径RF，RF（即固定半径转弯）航段指开始并终止于定位点，有确定转弯圆心和半径的圆弧航径。RF如下图所示：

　　图：RF

　　FRP的另一种形式，指的是主要运用在航路上的转弯航路设计，由RNP系统计算飞机从一段航路过渡到另一段航路的弧形转弯路径。

　　图：FRT

　　根据FRT设计原理我们有了预计航路，可实际飞行中，飞机的性能和外界条件各不相同，因此实际计算出来的航径和设计航径总有误差，PBN误差的概念也相应而生。

　　5．关于误差

　　PBN运行中有多种误差，笔者在此梳理一下各种误差，理解这些误差对于了解PBN运行有重要意义。

　　PDE航径定义误差：定义航径与要求航径之间的差别。

　　FTE飞行技术误差：控制飞机的精度，根据飞机指示位置与期望位置之间的差异来确定。FTE不包括操作失误所引起的误差。

　　NSE导航系统误差：真实位置与估计位置之间的差值，也称为位置估计误差。（PEE）

　　TSE总系统误差：实际位置相对于期望位置的偏差。TSE等于前三种误差的矢量和。

　　图：误差

　　其中，根据IACO9613文件（如下截图），TSE标准差的平方等于前三者标准差的平方和，且TSE呈高斯分布。

　　图：TSE

　　听到上述结尾的话，可能很多人会糊涂，什么是标准差？什么是高斯分布？首先，理解这些概念不难，而弄清这些概念，可以很好的帮助我们理解下一部分的内容。

　　6.95%从哪里来？为什么是95%？到底是时间还是概率？

　　首先，笔者先阐明结论：

　　-当我们描述PBN性能之一准确性（accuracy）的时候，通常的表述是：要求飞机95的概率在预期航线XX海里以内；

　　-而当我们描述精确度的时候，我们往往说：要求飞机在95%的时间内，达到XX海里的精确度。

　　标准差（Standard Deviation）是各数据与均值间差值（离差）的平方和后的方根，用σ表示。实际飞行中，标准差可以理解为实际位置与预期位置偏离的大小程度。

　　而实际飞行中，飞机的机载设备会搜集大量的位置偏航信息数据（TSE），每次机器所取样本偏航数据的用x表示（样本均值），而总体飞行位置偏航数据则用希腊字母μ表示（总体均值）。

　　这好比飞机位置的所有数据被放在一个大篮子里，我们每隔一小段时间，就伸手把这一时间段内的部分数据抓出来测量。大篮子里的数据为全体数据，而每次抓的一把数据为样本数据，我们期望两者的均值相等。

　　在统计中，我们称总体均值μ为数学期望，同时当样本量足够大，抓取的次数够多，我们可以相信x=μ=0（见下图中线）。对于实际飞行而言，这条中线意味着：我们期望飞机始终在预期的航线飞行且没有任何偏离。

　　然而实际飞行中，误差总会有。

　　因而飞机测得的实际TSE，总是在代表期望为0的直线两侧分布。人们测量误差时，很少直接说：“某点距离和均值相差多少海里”，而是会说：“某点和均值之间，相差了多少个标准差σ”

　　这里，我们只需要用TSE去除以σ，得到TSE距离代表0误差的直线有几个标准差。

　　由上文可知TSE呈高斯分布（即正态分布）（如下图所示）。

　　图：正态分布（高斯分布）

　　由于样本平均TSE呈正态分布，在正态分布图中，曲线下方的表示TSE分布概率，其总面积等于1（100%概率），也就是说所有TSE都在这个曲线下方分布。

　　所以上图也可以看做是TSE的概率分布图，两侧可以表示飞机偏移到航路一侧的概率分布。

　　在大量的实验中，人们还发现正态分布中：

　　总是有大约95%的样本分布在均值两侧2个标准差σ所包含的面积区域内

　　总是有大约99.999%的样本分布在均值两侧4.45个标准差σ所包含的面积区域内

　　然而，如果我们期望样本的均值在两个标准差内，我们就必须接受5%的容错率，而从统计学起始，人们在大量行业和领域约定：5%是可接受的容错率，小于这个概率往往被称为小概率事件，而95%的准确率，被视为可以接受得准确性。

　　因此，我们可以看出，当我们要求RNAV导航精确度，以95%的概率达到4海里，那么我们可以得出TSE最大值不能超过两个标准差，也就是一个标准差σ的范围约为2海里。

　　有些RPN运行甚至要求达到99.999%的准确性，也就是说我们希望样本均落在期望值左右4.45个标准差内，如果是RNP4航路，我们希望σ=4/4.45，标准差σ值小于1海里。

　　由此可见，标准差越小，说明TSE变化的范围越窄，导航准确度越高。

　　看了上面的解释，想必大家也会明白95%同样可以用于对时间的期望。

综上所述

　　-当我们描述PBN性能之一准确性（accuracy）的时候，通常的表述是：要求飞机95的概率在航线XX海里以内；

　　-而当我们描述精确度的时候，我们往往说：要求飞机在95%的时间内，达到XX海里（95概率）的准确性。

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来源：民航资源网 作者：马骁飞