本文轉(zhuǎn)載自：民航資源網(wǎng)

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(rèn)真查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)和規(guī)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(nèi)涵很廣，本文不能全面俱到，只是盡量把和飛行相關(guān)的內(nèi)容梳理出來，如有謬誤，請業(yè)內(nèi)人士指點。

　　1.PBN RNP RNAV的關(guān)系、含義和由來；

　　圖：傳統(tǒng)航路

　　最早的航線飛行中，電臺（VOR、NDB等）是主要的導(dǎo)航依據(jù)，飛機(jī)跟著電臺的信號走?？上攵?，電臺的設(shè)立受地形影響極大，因此相對應(yīng)的航線設(shè)計和空域的使用也隨之大受制約。

　　后來隨著衛(wèi)星導(dǎo)航（如GPS系統(tǒng)）的應(yīng)用，人們引入了RNAV（區(qū)域?qū)Ш剑┑母拍?，RNAV的一大技術(shù)突破就是利用衛(wèi)星技術(shù)將經(jīng)緯度坐標(biāo)納入導(dǎo)航點的設(shè)定。

　　同時RNAV本質(zhì)上說，是一種傳感信號源導(dǎo)航，其導(dǎo)航源不僅包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，還包括傳統(tǒng)的電臺導(dǎo)航（如VOR/DME）。

　　RNAV的應(yīng)用，使得空域和航線的規(guī)劃脫離了地形和傳統(tǒng)儀表導(dǎo)航設(shè)備的制約，如下圖所示：

　　圖：RNAV航路

　　隨著RNAV的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)RNAV一個重要的技術(shù)缺陷，就是缺少機(jī)載設(shè)備導(dǎo)航能力的自我監(jiān)督，因此在RNAV的運行中，飛機(jī)的飛行狀況始終需要管制人員的雷達(dá)監(jiān)控，由于很多地方雷達(dá)管制難以覆蓋，為了進(jìn)一步利用空域資源，人們給具備RNAV能力的飛機(jī)又添加了自我導(dǎo)航能力監(jiān)控設(shè)備。

　　于是RNP（所需導(dǎo)航性能）的概念應(yīng)運而生。

　　RNP的概念簡單理解就是為具備RNAV導(dǎo)航能力的飛機(jī)提供自我導(dǎo)航精度監(jiān)控的能力，這樣做的意義就是能使飛行在雷達(dá)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(shè)計上，自我監(jiān)督能力的實現(xiàn)使得導(dǎo)航精度提高，航路可以規(guī)劃得更窄更靈活。

　　但是，RNP技術(shù)的應(yīng)用使得航空公司、設(shè)備商、管制單位以及民航當(dāng)局之間產(chǎn)生了矛盾——如果航空公司愿意，他們可以憑借財力引入任何先進(jìn)設(shè)備，那么管制當(dāng)局改如何在現(xiàn)有的航線體系下來提供服務(wù)？民航當(dāng)局既要考慮批準(zhǔn)不斷出現(xiàn)的新技術(shù)，同時也要思考新技術(shù)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(xiàn)象出來了相應(yīng)的規(guī)章（如《ICAO-Doc9613》），來對RNAV和RNP做出相應(yīng)的規(guī)范，因此，PBN（性能基導(dǎo)航）的概念就出現(xiàn)了。

　　基于上述提到的種種矛盾，國際民航組織在提出PBN時，是緊密結(jié)合空域設(shè)計理念的?？沼虻母拍畎送ㄐ拧⒈O(jiān)督、管理以及導(dǎo)航，其中導(dǎo)航當(dāng)仁不讓是重中之重，而導(dǎo)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？它主要有三個部分組成：Navigation Specification（導(dǎo)航規(guī)范）、Navigation Application（導(dǎo)航應(yīng)用）、Navigation Infrastructure（導(dǎo)航設(shè)施）。這三個當(dāng)中與飛行最相關(guān)也是最核心的就是導(dǎo)航規(guī)范，它實際上是對運營人實施PBN運行進(jìn)行了程序、設(shè)備、人員資質(zhì)等等的規(guī)定。

　　由于技術(shù)等原因，很多空域和機(jī)場設(shè)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的范疇里，不僅包括RNAV導(dǎo)航規(guī)范，也包括了RNP導(dǎo)航規(guī)范。其基礎(chǔ)內(nèi)容如下：

　　圖：導(dǎo)航規(guī)范

　　在RNAV和RNP不同種類的規(guī)范中，其準(zhǔn)精度以海里數(shù)表示，即在95%的時間內(nèi)應(yīng)達(dá)到的導(dǎo)航精度，例如RNAV 5要求在飛行的95%的時間內(nèi)，導(dǎo)航精度達(dá)到航線左右5（nm）海里（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(shù)值越小，精度越高。

　　2．機(jī)載設(shè)備的性能要求

　　準(zhǔn)確性：航空器必須滿足在95%的總飛行時間內(nèi)，橫向TSE和沿航跡誤差必須不大于要求的導(dǎo)航精度。

　　完好性：有航空器導(dǎo)航設(shè)備故障導(dǎo)致TSE超過RNP值兩倍，被認(rèn)為是主失效情況。

　　連續(xù)性：如果運營人能夠使用其他導(dǎo)航系統(tǒng)，并能安全地飛往適當(dāng)?shù)臋C(jī)場降落，則失去功能被認(rèn)為次要失效情況。

　　性能監(jiān)控和告警：飛行中當(dāng)沒有滿足準(zhǔn)確性要求，RNP系統(tǒng)提供相應(yīng)警告。

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

　　GNSS（Global Navigation Satellite System）

　　GNSS是一個包含GPS、GLONAS以及GALILEO在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。美國機(jī)場的進(jìn)近航圖往往會標(biāo)識有RNAV（GPS）進(jìn)近，表示導(dǎo)航源來自美國GPS系統(tǒng)，而美國以外的進(jìn)近航圖都會顯示GNSS，其導(dǎo)航原理大致類似。

　　例如倫敦機(jī)場的進(jìn)近圖中，就有標(biāo)識著RNAV（GNSS）的進(jìn)近圖。

　　圖：RNAV（GNSS）

　　而洛杉磯的進(jìn)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(jìn)近模式，他們往往要求起始進(jìn)近航段和中間進(jìn)近航段達(dá)到1.0nm的精度，而最后進(jìn)近航段達(dá)到0.3nm的精度。

　　而RNAV（RNP）則要求達(dá)到更精確的0.1nm精度，并且最后進(jìn)近航段可以是非直線的RF（Radius to Fix）航段，其保護(hù)區(qū)的規(guī)定也更加嚴(yán)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(qū)和航路轉(zhuǎn)彎航路設(shè)計的基礎(chǔ)理念，F(xiàn)RP有兩類，一類指終端區(qū)進(jìn)近程序中特定的轉(zhuǎn)彎半徑RF，RF（即固定半徑轉(zhuǎn)彎）航段指開始并終止于定位點，有確定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎航路設(shè)計，由RNP系統(tǒng)計算飛機(jī)從一段航路過渡到另一段航路的弧形轉(zhuǎn)彎路徑。

　　圖：FRT

　　根據(jù)FRT設(shè)計原理我們有了預(yù)計航路，可實際飛行中，飛機(jī)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(shè)計航徑總有誤差，PBN誤差的概念也相應(yīng)而生。

　　5．關(guān)于誤差

　　PBN運行中有多種誤差，筆者在此梳理一下各種誤差，理解這些誤差對于了解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(shù)誤差：控制飛機(jī)的精度，根據(jù)飛機(jī)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(dǎo)航系統(tǒng)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(tǒng)誤差：實際位置相對于期望位置的偏差。TSE等于前三種誤差的矢量和。

　　圖：誤差

　　其中，根據(jù)IACO9613文件（如下截圖），TSE標(biāo)準(zhǔn)差的平方等于前三者標(biāo)準(zhǔn)差的平方和，且TSE呈高斯分布。

　　圖：TSE

　　聽到上述結(jié)尾的話，可能很多人會糊涂，什么是標(biāo)準(zhǔn)差？什么是高斯分布？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(nèi)容。

　　6.95%從哪里來？為什么是95%？到底是時間還是概率？

　　首先，筆者先闡明結(jié)論：

　　-當(dāng)我們描述PBN性能之一準(zhǔn)確性（accuracy）的時候，通常的表述是：要求飛機(jī)95的概率在預(yù)期航線XX海里以內(nèi)；

　　-而當(dāng)我們描述精確度的時候，我們往往說：要求飛機(jī)在95%的時間內(nèi)，達(dá)到XX海里的精確度。

　　標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation）是各數(shù)據(jù)與均值間差值（離差）的平方和后的方根，用σ表示。實際飛行中，標(biāo)準(zhǔn)差可以理解為實際位置與預(yù)期位置偏離的大小程度。

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

　　這好比飛機(jī)位置的所有數(shù)據(jù)被放在一個大籃子里，我們每隔一小段時間，就伸手把這一時間段內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)抓出來測量。大籃子里的數(shù)據(jù)為全體數(shù)據(jù)，而每次抓的一把數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，我們期望兩者的均值相等。

　　在統(tǒng)計中，我們稱總體均值μ為數(shù)學(xué)期望，同時當(dāng)樣本量足夠大，抓取的次數(shù)夠多，我們可以相信x=μ=0（見下圖中線）。對于實際飛行而言，這條中線意味著：我們期望飛機(jī)始終在預(yù)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(jī)測得的實際TSE，總是在代表期望為0的直線兩側(cè)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里”，而是會說：“某點和均值之間，相差了多少個標(biāo)準(zhǔn)差σ”

　　這里，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(biāo)準(zhǔn)差。

　　由上文可知TSE呈高斯分布（即正態(tài)分布）（如下圖所示）。

　　圖：正態(tài)分布（高斯分布）

　　由于樣本平均TSE呈正態(tài)分布，在正態(tài)分布圖中，曲線下方的表示TSE分布概率，其總面積等于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(cè)可以表示飛機(jī)偏移到航路一側(cè)的概率分布。

　　在大量的實驗中，人們還發(fā)現(xiàn)正態(tài)分布中：

　　總是有大約95%的樣本分布在均值兩側(cè)2個標(biāo)準(zhǔn)差σ所包含的面積區(qū)域內(nèi)

　　總是有大約99.999%的樣本分布在均值兩側(cè)4.45個標(biāo)準(zhǔn)差σ所包含的面積區(qū)域內(nèi)

　　然而，如果我們期望樣本的均值在兩個標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)，我們就必須接受5%的容錯率，而從統(tǒng)計學(xué)起始，人們在大量行業(yè)和領(lǐng)域約定：5%是可接受的容錯率，小于這個概率往往被稱為小概率事件，而95%的準(zhǔn)確率，被視為可以接受得準(zhǔn)確性。

　　因此，我們可以看出，當(dāng)我們要求RNAV導(dǎo)航精確度，以95%的概率達(dá)到4海里，那么我們可以得出TSE最大值不能超過兩個標(biāo)準(zhǔn)差，也就是一個標(biāo)準(zhǔn)差σ的范圍約為2海里。

　　有些RPN運行甚至要求達(dá)到99.999%的準(zhǔn)確性，也就是說我們希望樣本均落在期望值左右4.45個標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)，如果是RNP4航路，我們希望σ=4/4.45，標(biāo)準(zhǔn)差σ值小于1海里。

　　由此可見，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說明TSE變化的范圍越窄，導(dǎo)航準(zhǔn)確度越高。

　　看了上面的解釋，想必大家也會明白95%同樣可以用于對時間的期望。