基于传统导航与PBN的离场程序差异及使用AutoLISP自动化绘制保护区

杨俊，孙懿，陈红英

（中国民航飞行学院，广汉618300）

基于传统导航与PBN的离场程序差异及使用AutoLISP自动化绘制保护区

杨俊，孙懿，陈红英

（中国民航飞行学院，广汉618300）

近年来，航空运输的发展使得传统的陆基导航方式难以满足运行要求。目前国内大量机场开始PBN程序的设计和推广。通过分析PBN和传统陆基导航的不同，比较基于两种导航方式的离场程序之间的差异，并以AutoLISP为基本语言程序，介绍旁切转弯保护区的绘制，为后续软件包的开发奠定基础。

PBN；离场程序；AutoLISP语言；旁切转弯

中国民航飞行学院研究生创新科研项目资助（No.X2012-1）

0　引言

随着全球民航业的飞速发展，空中交通流量与日俱增，传统的依赖地面导航设施的陆基导航方式已经渐渐难以满足大流量下的运行要求。在这种情况下，PBN应运而生。自20世纪90年代起，美国、日本、澳大利亚和欧洲的部分国家和地区先后开展了PBN的研究和应用工作。相对而言，中国的PBN相关研究工作则起步较晚。为支持中国民航PBN技术的推广与应用，根据国际民航组织ICAO的建议和要求，2009年10月中国民航局制定并公布了《中国民航基于性能的导航实施路线图》，力争在2016年底完成所有机场的PBN运行。要实现这一目标，必须改变现有机场大多执行传统目视和仪表飞行程序的现状，设计各机场的PBN程序。那么，PBN飞行程序相对于传统导航方式下的飞行程序而言，有哪些优势呢？

1　传统导航与PBN原理的不同

1.1传统导航

传统导航是基于传感器的导航，航空器从一个导航台飞至另一个导航台，要求机载接收机利用收到的陆基导航台信号，计算离台方位或者距离，来实现定位和偏航判断的。用于传统路基导航的导航设备有VOR、VOR/DME、NDB、ILS/DME等。

1.2PBN技术

PBN（Performance Based Navigation）基于性能的导航概念，源于ICAO定义的“新航行系统”（CNS/ATM）即“空域概念”，“N”就是指CNS（通讯导航监视）中的“N”（导航）[1]。它是ICAO对世界各国现有的RNP（所需导航性能）和RNAV（区域导航）运行标准和运行实践的概括和总结。用于PBN技术的导航设备除了传统陆基导航设施VOR、DME以外，还运用了GNSS（全球导航卫星系统）。

2　PBN相对于传统导航方式在飞行程序设计上的优势

2.1从台到台的传统导航和运行模式的缺点

（1）导航精度低

传统路基导航，利用NDB方位、VOR方位、DME距离，采用方位控制或者距离控制等方式，来计算和确定航空器的二维位置。由于NDB、VOR方位精度和DME距离精度相对较差，因此定位误差较大，不能满足高精度运行等级的要求。同时，由于导航定位精度低，在程序设计时需要较大的航路保护区，因此极大地限制了飞行运行，甚至在某些机场终端无法实现基于传统导航的飞行运行。

（2）空域利用率低

由于必须基于地面台进行定位，因此只有在陆基导航台信号覆盖范围内，才能建立传统运行航路。如果陆基导航台覆盖不够，则极大地限制了空域利用效率。同时，由于定位误差较低，需要的保护区宽度较宽，飞行运行航空器放行间隔较大，也降低了空域利用率。

（3）运行成本高

在有陆基导航信号覆盖空洞的空域，如果要建立传统运行能力，必须增建陆基导航台，势必导致建造成本的上升。同时导航台维护成本也会增加。

2.2PBN的优势

（1）建立直线航线，缩短飞行距离

PBN的一个典型特征，就是脱离了导航台的约束，不要求从一个导航台飞向另一个导航台，而是从一个航路点飞向另一个航路点。利用PBN的特性，在基于惯性导航或者卫星导航的情况下，可以在两个距离较远的航路点之间建立直线航线，缩短飞行距离，降低运行成本。这一做法适用于边远地区或者越洋飞行，在起飞机场与目的机场之间建立大圆航线，在大圆航线上选定合适的航路点，不管航路点之间是否有陆基导航台。

（2）定义随机航路，提高飞行运行灵活性

在飞行运行中，如果遇到因气象原因或者管制原因需要绕飞时，可以根据临时需要选择或者定义计划航路以外的航路点，构建随机航路，提高飞行运行的灵活性，实现绕飞或者避让。同时，根据运行和管制需要，即使没有陆基导航设施的航路点，也可以基于PBN的特性，在航路或者终端区建立等待程序。

（3）GNSS单一导航，减少陆基导航设施

GNSS可以为航路、终端区、非精密进近、APV进近、一类精密进近及地面滑行提供区域导航服务，同时还可以服务于空管监视，因此GNSS可以作为民用航空飞行运行单一导航源使用，可以减少陆基导航设施的建设，降低运行成本[2]。

3　以离场程序为例，分析PBN与传统导航的差异

由于PBN飞行程序使用的导航源是GNSS，导航精度很高，而且定位精度恒定。因此，可以不受任何地理位置与地面导航设施的影响，能够有效突破空中区域限制，及时避开障碍物。下面将以某机场的传统标准离场程序和基于PBN的离场程序来具体分析。

3.1某机场简介

（1）地形特征

机场四周群山环抱形成“盆地地形”。主要山脉自东北向西逶迤横亘于机场东南侧。

（2）XX机场跑道条件

表1　

（3）导航台

机场装有ILS、VOR、DME、NDB、指点标等导航设施，这里列出所需导航设施：

表2　

3.226号跑道传统离场程序设计

（1）设计依据

该程序设计与保护区的绘制严格遵守国际民航公约附件4《航图》、6《航空器运行》、14《机场》、15《航行情报服务》以及国际民航组织ICAO文件DOC8168-OPS/ 611《航行服务程序—航空器运行》，DOC9613《PBN手册》等文件。保护区绘制使用AUTOCAD软件。

（2）26号跑道XXX方向传统离场方案

沿26号跑道起飞，定高500m右转截径向线R029°离场的XXX-01D。如图1所示。

（3）26跑道XXX方向传统离场转弯保护区

限制离场转弯指示空速IAS为380km/h，根据离场爬升的PDG为3.3%，转弯高度500m计算参数并绘制离场转弯保护区如图2所示。

（1）26号跑道XXX方向PBN离场方案

沿26号跑道起飞，由YC001右转经YC002右转飞向YC003，左转离场。如图3所示。

（2）26跑道XXX方向PBN离场转弯保护区

限制离场转弯指示空速IAS为380km/h，根据离场爬升的PDG为3.3%计算参数并绘制离场转弯保护区如图4所示。

3.4差异化分析

对比两种离场方案和转弯保护区我们可以看出与传统运行相比较，PBN运行具有诸多作用及优势，典型优势包括：

（1）精确地引导航空器，所以保护区宽度基本恒定；

（2）优化飞行航迹，可以自由的设置航路点而不用依赖于导航设施的地理位置，这样做可以增加飞行业载，减少飞行时间，节省燃油；

（3）在导航精度允许的范围内自由设置航路点，依靠保护区宽度基本恒定这一特性可以避开许多主要障碍物，减少保护区内的障碍物数目，使飞行更加安全。

4　使用AutoLISP实现保护区的自动化绘制

LISP是一种计算机的表处理语言，是在人工智能学科领域广泛应用的一种程序设计语言。AutoLISP语言是嵌于AutoCAD内部的计算机语言，它是AutoCAD开放式体系结构的具体表现，是LISP语言和CAD有机结合的产物[3]。

随着PBN程序越来越多地被各型机场使用，PBN程序的设计及保护区的绘制工作将越来越繁重。用LISP编程制作自动化软件包是一个好方法，到现在为止，已经有部分国家研发出实现自动化设计的软件包，但是由于其开发代码未公布，使得该软件的售价十分昂贵，我国目前七大地区管理局，也只有西南局在使用。为了便于后续软件包的开发，本文将探讨使用LISP绘制旁切转弯保护区。

图1　

图2　

图3　

图4　

（1）对于一个PBN程序保护区绘制工作，80%都与旁切转弯保护区有关。使用LISP程序，将使本来需要20分钟完成的工作只需要1分钟就可以完成。

AutoLISP绘制旁切转弯保护区部分代码如下：

（defun C:fbfurn（）

;参数段代码

（setq xtt（getreal" 输入转弯点XTT（海里）:"））

（setq bv（getreal" 输入转弯点缓冲值（海里）:"））

……

（setq E（/（*90W）（*R 3.6）））

;打点段代码

（setq p0（getpoint" 确定起始点（在需要画风螺旋一侧的主区顶点，坐标捕捉）:"））

（setq B（-0（getangle" 输入转弯前航路与X轴正方向的夹角的绝对值:"）））

……

（setq p18（polar p16（*0.25 Pi）（/d 1000）））

（setq p19（polar p17（*0.25 Pi）（/d 1000）））

;绘图代码段

（command"arc""c"p3 p4 p1）

（setq e1（entlast））

……

（command"line"p17 p19""）

（princ）

）

（2）以离场旁切转弯为例，转弯限速350km/h，转弯高度1800m，转弯角度90°使用CAD绘制及LISP绘制结果（蓝色线条）如图6、图7所示。

（3）由上图可见，使用LISP语言绘制，只需要简单修剪一下线条即可。

5　　结语

PBN不仅可以简化航班路线，还可以自由选择航路点，避开有影响的障碍物，实现安全高效的航班运行。PBN程序的大力推广，也会使的对自动化绘制软件包进一步增加。用LISP进行参数化绘制，在保证准确性的前提下，极大的简化工作量[4]。由于篇幅有限，本文仅仅讨论旁切转弯的绘制，后续工作还需要进一步完善。

图4　

图5　

[1]国际民用航空组织.基于性能导航（PBN）手册[Z]，2008（第三版）

[2]何光桥.区域导航（RNAV）与传统导航对比分析[J].科技创新导报，2010,3（02）：98-99

[3]郭秀娟，于全勇等.AutoLISP语言程序设计[M].北京：化学工业出版社，2008

[4]徐政委，蒋维安.基于AutoLISP语言的飞行程序中转弯保护区的自动绘制[J].电脑编程技巧与维护，2013,3:78-79

PBN;SIDs;AutoLISP Language;FB Turning Protect Area

Difference of Departure Procedure between TraditionalWay of Navigation and PBN and the Automatic Draw ing of the Protect Area

YANG Jun，SUN Yi，CHEN Hong-ying

（China Aviation Flight University，Guanghan 618300）

At present,the traditionalway of navigation based on ground is difficult tomeet the operation requirements as the development of air transport industry.A number of airport have taken responsibility of PBN procedure designing and promotion.In order to lay the foundation for development of software package,analyzes the difference of PBN and traditional way of navigation based on ground,compared SIDs on PBN with SIDswhich is on ground and introduces the drawing of FB turning protectarea which AUTOLISP is applied as the basic programming language.

1007-1423（2015）16-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.16.013

杨俊（1965-），男，苗族，贵州丹寨人，硕士，教授，研究方向为飞行动力与控制和航空安全

孙懿（1989-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为飞行程序、飞行性能

陈红英（1976-），女，四川德阳人，硕士，副教授，研究方向为飞行程序、飞行原理和飞行性能

2015-05-04

2015-06-01