楊俊，孫懿，陳紅英

（中國(guó)民航飛行學(xué)院，廣漢618300）

基于傳統(tǒng)導(dǎo)航與PBN的離場(chǎng)程序差異及使用AutoLISP自動(dòng)化繪制保護(hù)區(qū)

楊俊，孫懿，陳紅英

（中國(guó)民航飛行學(xué)院，廣漢618300）

近年來，航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展使得傳統(tǒng)的陸基導(dǎo)航方式難以滿足運(yùn)行要求。目前國(guó)內(nèi)大量機(jī)場(chǎng)開始PBN程序的設(shè)計(jì)和推廣。通過分析PBN和傳統(tǒng)陸基導(dǎo)航的不同，比較基于兩種導(dǎo)航方式的離場(chǎng)程序之間的差異，并以AutoLISP為基本語言程序，介紹旁切轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)的繪制，為后續(xù)軟件包的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

PBN；離場(chǎng)程序；AutoLISP語言；旁切轉(zhuǎn)彎

中國(guó)民航飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目資助（No.X2012-1）

0　引言

隨著全球民航業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通流量與日俱增，傳統(tǒng)的依賴地面導(dǎo)航設(shè)施的陸基導(dǎo)航方式已經(jīng)漸漸難以滿足大流量下的運(yùn)行要求。在這種情況下，PBN應(yīng)運(yùn)而生。自20世紀(jì)90年代起，美國(guó)、日本、澳大利亞和歐洲的部分國(guó)家和地區(qū)先后開展了PBN的研究和應(yīng)用工作。相對(duì)而言，中國(guó)的PBN相關(guān)研究工作則起步較晚。為支持中國(guó)民航PBN技術(shù)的推廣與應(yīng)用，根據(jù)國(guó)際民航組織ICAO的建議和要求，2009年10月中國(guó)民航局制定并公布了《中國(guó)民航基于性能的導(dǎo)航實(shí)施路線圖》，力爭(zhēng)在2016年底完成所有機(jī)場(chǎng)的PBN運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須改變現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)大多執(zhí)行傳統(tǒng)目視和儀表飛行程序的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)各機(jī)場(chǎng)的PBN程序。那么，PBN飛行程序相對(duì)于傳統(tǒng)導(dǎo)航方式下的飛行程序而言，有哪些優(yōu)勢(shì)呢？

1　傳統(tǒng)導(dǎo)航與PBN原理的不同

1.1傳統(tǒng)導(dǎo)航

傳統(tǒng)導(dǎo)航是基于傳感器的導(dǎo)航，航空器從一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)飛至另一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)，要求機(jī)載接收機(jī)利用收到的陸基導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)，計(jì)算離臺(tái)方位或者距離，來實(shí)現(xiàn)定位和偏航判斷的。用于傳統(tǒng)路基導(dǎo)航的導(dǎo)航設(shè)備有VOR、VOR/DME、NDB、ILS/DME等。

1.2PBN技術(shù)

PBN（Performance Based Navigation）基于性能的導(dǎo)航概念，源于ICAO定義的“新航行系統(tǒng)”（CNS/ATM）即“空域概念”，“N”就是指CNS（通訊導(dǎo)航監(jiān)視）中的“N”（導(dǎo)航）[1]。它是ICAO對(duì)世界各國(guó)現(xiàn)有的RNP（所需導(dǎo)航性能）和RNAV（區(qū)域?qū)Ш剑┻\(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行實(shí)踐的概括和總結(jié)。用于PBN技術(shù)的導(dǎo)航設(shè)備除了傳統(tǒng)陸基導(dǎo)航設(shè)施VOR、DME以外，還運(yùn)用了GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。

2　PBN相對(duì)于傳統(tǒng)導(dǎo)航方式在飛行程序設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)

2.1從臺(tái)到臺(tái)的傳統(tǒng)導(dǎo)航和運(yùn)行模式的缺點(diǎn)

（1）導(dǎo)航精度低

傳統(tǒng)路基導(dǎo)航，利用NDB方位、VOR方位、DME距離，采用方位控制或者距離控制等方式，來計(jì)算和確定航空器的二維位置。由于NDB、VOR方位精度和DME距離精度相對(duì)較差，因此定位誤差較大，不能滿足高精度運(yùn)行等級(jí)的要求。同時(shí)，由于導(dǎo)航定位精度低，在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要較大的航路保護(hù)區(qū)，因此極大地限制了飛行運(yùn)行，甚至在某些機(jī)場(chǎng)終端無法實(shí)現(xiàn)基于傳統(tǒng)導(dǎo)航的飛行運(yùn)行。

（2）空域利用率低

由于必須基于地面臺(tái)進(jìn)行定位，因此只有在陸基導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，才能建立傳統(tǒng)運(yùn)行航路。如果陸基導(dǎo)航臺(tái)覆蓋不夠，則極大地限制了空域利用效率。同時(shí)，由于定位誤差較低，需要的保護(hù)區(qū)寬度較寬，飛行運(yùn)行航空器放行間隔較大，也降低了空域利用率。

（3）運(yùn)行成本高

在有陸基導(dǎo)航信號(hào)覆蓋空洞的空域，如果要建立傳統(tǒng)運(yùn)行能力，必須增建陸基導(dǎo)航臺(tái)，勢(shì)必導(dǎo)致建造成本的上升。同時(shí)導(dǎo)航臺(tái)維護(hù)成本也會(huì)增加。

2.2PBN的優(yōu)勢(shì)

（1）建立直線航線，縮短飛行距離

PBN的一個(gè)典型特征，就是脫離了導(dǎo)航臺(tái)的約束，不要求從一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)飛向另一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)，而是從一個(gè)航路點(diǎn)飛向另一個(gè)航路點(diǎn)。利用PBN的特性，在基于慣性導(dǎo)航或者衛(wèi)星導(dǎo)航的情況下，可以在兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的航路點(diǎn)之間建立直線航線，縮短飛行距離，降低運(yùn)行成本。這一做法適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或者越洋飛行，在起飛機(jī)場(chǎng)與目的機(jī)場(chǎng)之間建立大圓航線，在大圓航線上選定合適的航路點(diǎn)，不管航路點(diǎn)之間是否有陸基導(dǎo)航臺(tái)。

（2）定義隨機(jī)航路，提高飛行運(yùn)行靈活性

在飛行運(yùn)行中，如果遇到因氣象原因或者管制原因需要繞飛時(shí)，可以根據(jù)臨時(shí)需要選擇或者定義計(jì)劃航路以外的航路點(diǎn)，構(gòu)建隨機(jī)航路，提高飛行運(yùn)行的靈活性，實(shí)現(xiàn)繞飛或者避讓。同時(shí)，根據(jù)運(yùn)行和管制需要，即使沒有陸基導(dǎo)航設(shè)施的航路點(diǎn)，也可以基于PBN的特性，在航路或者終端區(qū)建立等待程序。

（3）GNSS單一導(dǎo)航，減少陸基導(dǎo)航設(shè)施

GNSS可以為航路、終端區(qū)、非精密進(jìn)近、APV進(jìn)近、一類精密進(jìn)近及地面滑行提供區(qū)域?qū)Ш椒?wù)，同時(shí)還可以服務(wù)于空管監(jiān)視，因此GNSS可以作為民用航空飛行運(yùn)行單一導(dǎo)航源使用，可以減少陸基導(dǎo)航設(shè)施的建設(shè)，降低運(yùn)行成本[2]。

3　以離場(chǎng)程序?yàn)槔?，分析PBN與傳統(tǒng)導(dǎo)航的差異

由于PBN飛行程序使用的導(dǎo)航源是GNSS，導(dǎo)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與地面導(dǎo)航設(shè)施的影響，能夠有效突破空中區(qū)域限制，及時(shí)避開障礙物。下面將以某機(jī)場(chǎng)的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)程序和基于PBN的離場(chǎng)程序來具體分析。

3.1某機(jī)場(chǎng)簡(jiǎn)介

（1）地形特征

機(jī)場(chǎng)四周群山環(huán)抱形成“盆地地形”。主要山脈自東北向西逶迤橫亙于機(jī)場(chǎng)東南側(cè)。

（2）XX機(jī)場(chǎng)跑道條件

表1　

（3）導(dǎo)航臺(tái)

機(jī)場(chǎng)裝有ILS、VOR、DME、NDB、指點(diǎn)標(biāo)等導(dǎo)航設(shè)施，這里列出所需導(dǎo)航設(shè)施：

表2　

3.226號(hào)跑道傳統(tǒng)離場(chǎng)程序設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)依據(jù)

該程序設(shè)計(jì)與保護(hù)區(qū)的繪制嚴(yán)格遵守國(guó)際民航公約附件4《航圖》、6《航空器運(yùn)行》、14《機(jī)場(chǎng)》、15《航行情報(bào)服務(wù)》以及國(guó)際民航組織ICAO文件DOC8168-OPS/ 611《航行服務(wù)程序—航空器運(yùn)行》，DOC9613《PBN手冊(cè)》等文件。保護(hù)區(qū)繪制使用AUTOCAD軟件。

（2）26號(hào)跑道XXX方向傳統(tǒng)離場(chǎng)方案

沿26號(hào)跑道起飛，定高500m右轉(zhuǎn)截徑向線R029°離場(chǎng)的XXX-01D。如圖1所示。

（3）26跑道XXX方向傳統(tǒng)離場(chǎng)轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)

限制離場(chǎng)轉(zhuǎn)彎指示空速IAS為380km/h，根據(jù)離場(chǎng)爬升的PDG為3.3%，轉(zhuǎn)彎高度500m計(jì)算參數(shù)并繪制離場(chǎng)轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)如圖2所示。

（1）26號(hào)跑道XXX方向PBN離場(chǎng)方案

沿26號(hào)跑道起飛，由YC001右轉(zhuǎn)經(jīng)YC002右轉(zhuǎn)飛向YC003，左轉(zhuǎn)離場(chǎng)。如圖3所示。

（2）26跑道XXX方向PBN離場(chǎng)轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)

限制離場(chǎng)轉(zhuǎn)彎指示空速IAS為380km/h，根據(jù)離場(chǎng)爬升的PDG為3.3%計(jì)算參數(shù)并繪制離場(chǎng)轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)如圖4所示。

3.4差異化分析

對(duì)比兩種離場(chǎng)方案和轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)我們可以看出與傳統(tǒng)運(yùn)行相比較，PBN運(yùn)行具有諸多作用及優(yōu)勢(shì)，典型優(yōu)勢(shì)包括：

（1）精確地引導(dǎo)航空器，所以保護(hù)區(qū)寬度基本恒定；

（2）優(yōu)化飛行航跡，可以自由的設(shè)置航路點(diǎn)而不用依賴于導(dǎo)航設(shè)施的地理位置，這樣做可以增加飛行業(yè)載，減少飛行時(shí)間，節(jié)省燃油；

（3）在導(dǎo)航精度允許的范圍內(nèi)自由設(shè)置航路點(diǎn)，依靠保護(hù)區(qū)寬度基本恒定這一特性可以避開許多主要障礙物，減少保護(hù)區(qū)內(nèi)的障礙物數(shù)目，使飛行更加安全。

4　使用AutoLISP實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)的自動(dòng)化繪制

LISP是一種計(jì)算機(jī)的表處理語言，是在人工智能學(xué)科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種程序設(shè)計(jì)語言。AutoLISP語言是嵌于AutoCAD內(nèi)部的計(jì)算機(jī)語言，它是AutoCAD開放式體系結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，是LISP語言和CAD有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物[3]。

隨著PBN程序越來越多地被各型機(jī)場(chǎng)使用，PBN程序的設(shè)計(jì)及保護(hù)區(qū)的繪制工作將越來越繁重。用LISP編程制作自動(dòng)化軟件包是一個(gè)好方法，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有部分國(guó)家研發(fā)出實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的軟件包，但是由于其開發(fā)代碼未公布，使得該軟件的售價(jià)十分昂貴，我國(guó)目前七大地區(qū)管理局，也只有西南局在使用。為了便于后續(xù)軟件包的開發(fā)，本文將探討使用LISP繪制旁切轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

（1）對(duì)于一個(gè)PBN程序保護(hù)區(qū)繪制工作，80%都與旁切轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)有關(guān)。使用LISP程序，將使本來需要20分鐘完成的工作只需要1分鐘就可以完成。

AutoLISP繪制旁切轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)部分代碼如下：

（defun C:fbfurn（）

;參數(shù)段代碼

（setq xtt（getreal" 輸入轉(zhuǎn)彎點(diǎn)XTT（海里）:"））

（setq bv（getreal" 輸入轉(zhuǎn)彎點(diǎn)緩沖值（海里）:"））

……

（setq E（/（*90W）（*R 3.6）））

;打點(diǎn)段代碼

（setq p0（getpoint" 確定起始點(diǎn)（在需要畫風(fēng)螺旋一側(cè)的主區(qū)頂點(diǎn)，坐標(biāo)捕捉）:"））

（setq B（-0（getangle" 輸入轉(zhuǎn)彎前航路與X軸正方向的夾角的絕對(duì)值:"）））

……

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

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

;繪圖代碼段

（command"arc""c"p3 p4 p1）

（setq e1（entlast））

……

（command"line"p17 p19""）

（princ）

）

（2）以離場(chǎng)旁切轉(zhuǎn)彎為例，轉(zhuǎn)彎限速350km/h，轉(zhuǎn)彎高度1800m，轉(zhuǎn)彎角度90°使用CAD繪制及LISP繪制結(jié)果（藍(lán)色線條）如圖6、圖7所示。

（3）由上圖可見，使用LISP語言繪制，只需要簡(jiǎn)單修剪一下線條即可。

5　　結(jié)語

PBN不僅可以簡(jiǎn)化航班路線，還可以自由選擇航路點(diǎn)，避開有影響的障礙物，實(shí)現(xiàn)安全高效的航班運(yùn)行。PBN程序的大力推廣，也會(huì)使的對(duì)自動(dòng)化繪制軟件包進(jìn)一步增加。用LISP進(jìn)行參數(shù)化繪制，在保證準(zhǔn)確性的前提下，極大的簡(jiǎn)化工作量[4]。由于篇幅有限，本文僅僅討論旁切轉(zhuǎn)彎的繪制，后續(xù)工作還需要進(jìn)一步完善。

圖4　

圖5　

[1]國(guó)際民用航空組織.基于性能導(dǎo)航（PBN）手冊(cè)[Z]，2008（第三版）

[2]何光橋.區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）與傳統(tǒng)導(dǎo)航對(duì)比分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010,3（02）：98-99

[3]郭秀娟，于全勇等.AutoLISP語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

[4]徐政委，蔣維安.基于AutoLISP語言的飛行程序中轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)的自動(dòng)繪制[J].電腦編程技巧與維護(hù)，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

楊?。?965-），男，苗族，貴州丹寨人，碩士，教授，研究方向?yàn)轱w行動(dòng)力與控制和航空安全

孫懿（1989-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱w行程序、飛行性能

陳紅英（1976-），女，四川德陽人，碩士，副教授，研究方向?yàn)轱w行程序、飛行原理和飛行性能

2015-05-04

2015-06-01