地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張明昊，朱國(guó)輝，郭平平（民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)部，北京 100091）

地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張明昊，朱國(guó)輝，郭平平
（民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司技術(shù)開(kāi)發(fā)部，北京 100091）

地基區(qū)域?qū)Ш绞菂^(qū)域?qū)Ш綄?shí)施的重要組成部分，地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行需要對(duì)導(dǎo)航設(shè)施覆蓋范圍及其精度的有效性進(jìn)行評(píng)估，從而保證此導(dǎo)航方式下運(yùn)行的有效性和安全性。介紹了地基區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的基本計(jì)算原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航性能分析評(píng)估、數(shù)據(jù)交換等方面的功能，并結(jié)合具體機(jī)場(chǎng)對(duì)應(yīng)用案例進(jìn)行了分析。從而給出了一種針對(duì)地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估問(wèn)題的解決方案。

區(qū)域?qū)Ш?；?dǎo)航性能評(píng)估；信號(hào)覆蓋；更新區(qū)；精度分析

在傳統(tǒng)陸基導(dǎo)航方式下，飛機(jī)接收陸基導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)，沿地面導(dǎo)航臺(tái)進(jìn)行向背臺(tái)飛行，飛機(jī)必須沿由地面導(dǎo)航臺(tái)確定的折線飛行，延長(zhǎng)了飛行時(shí)間和距離，增加了燃料消耗，降低了飛行效率。

為克服傳統(tǒng)導(dǎo)航方式的限制，美國(guó)于上世紀(jì)70年代開(kāi)始實(shí)施RNAV[1]。RNAV允許飛機(jī)在導(dǎo)航設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)或?qū)Ш较到y(tǒng)能力范圍內(nèi)沿任意想要的航路飛行。RNAV和RNP很大程度上實(shí)現(xiàn)了靈活飛行，在美國(guó)和歐洲應(yīng)用已超過(guò)20年，取得了巨大的效益。

由傳統(tǒng)航路向RNAV航路運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程中，地基DME/DME導(dǎo)航[2]方式是實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行平穩(wěn)過(guò)渡的首選方案。根據(jù)國(guó)際民航組織要求，DME-DME區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行要求航空器必須是在DME站點(diǎn)的覆蓋范圍之內(nèi)且必須能同時(shí)接受至少2個(gè)DME臺(tái)的輸入，以保證系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性。因此對(duì)地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)估是保障地基區(qū)域?qū)Ш巾樌\(yùn)行的重要手段。

美國(guó)FAA早在上世紀(jì)90年代，就已在其開(kāi)發(fā)的RNAV航路評(píng)估系統(tǒng)——RNAV-Pro[3]中包含了詳細(xì)的航路性能評(píng)估方面的內(nèi)容。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于美國(guó)常規(guī)航路和區(qū)域?qū)Ш胶铰罚≦航路）的規(guī)劃和建設(shè)工作當(dāng)中，為其進(jìn)行航路劃設(shè)時(shí)的可行性分析和安全評(píng)估提供重要的決策依據(jù)。在歐洲的空管一體化進(jìn)程中，也開(kāi)發(fā)了一系列用于空域規(guī)劃和安全評(píng)估的工具，其中也包含了航路保護(hù)區(qū)劃設(shè)和安全性能評(píng)估等工具。這些工具，在歐洲一體化天空的應(yīng)用演變過(guò)程中，發(fā)揮了非常大的作用。

目前，中國(guó)尚無(wú)科學(xué)、有效的工具評(píng)估DME/DME區(qū)域?qū)Ш?，現(xiàn)有覆蓋系統(tǒng)只能根據(jù)地形和臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行單臺(tái)站傳統(tǒng)導(dǎo)航覆蓋計(jì)算，不具備DME/DME更新區(qū)覆蓋、DME/DME精度評(píng)估、關(guān)鍵DME篩選能力。隨著《中國(guó)民航PBN實(shí)施路線圖》[4]的發(fā)布，北京首都、廣州白云、深圳寶安、上海虹橋、上海浦東機(jī)場(chǎng)、天津?yàn)I海、烏魯木齊地窩鋪機(jī)場(chǎng)已實(shí)施RNAV 1區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行，長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)、武漢機(jī)場(chǎng)等機(jī)場(chǎng)也將于2012年逐步推動(dòng)RNAV 1運(yùn)行，對(duì)于區(qū)域?qū)Ш紻ME/DME覆蓋評(píng)估提出了更高的要求。通過(guò)對(duì)DME/DME區(qū)域?qū)Ш礁聟^(qū)信號(hào)覆蓋范圍和精度評(píng)估，并結(jié)合擬劃設(shè)的航路和終端區(qū)飛行程序，可以有效地評(píng)估現(xiàn)有地面導(dǎo)航設(shè)備對(duì)運(yùn)行的支持程度，并為導(dǎo)航設(shè)備布局優(yōu)化和規(guī)劃建設(shè)提出建議和意見(jiàn)。

為進(jìn)一步加強(qiáng)地面導(dǎo)航設(shè)備業(yè)務(wù)管理，推動(dòng)基于性能導(dǎo)航PBN工作的實(shí)施，科學(xué)有效評(píng)估擬實(shí)施航路和終端區(qū)DME/DME導(dǎo)航能力，開(kāi)展區(qū)域?qū)Ш降孛嬖O(shè)備評(píng)估和規(guī)劃工作，提高空管區(qū)域?qū)Ш降孛嬖O(shè)備運(yùn)行管理和保障能力，指導(dǎo)導(dǎo)航設(shè)備規(guī)劃、建設(shè)、評(píng)估、運(yùn)行等各項(xiàng)工作，民航數(shù)據(jù)通信有限責(zé)任公司研發(fā)了“地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可評(píng)估地面DME/DME設(shè)備覆蓋、精度及其對(duì)航路航線、終端區(qū)飛行程序的支持能力，對(duì)地基導(dǎo)航設(shè)備規(guī)劃等工作起到了輔助性作用。

本文對(duì)“地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估系統(tǒng)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)方式、功能及應(yīng)用成果等方面進(jìn)行介紹。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前美國(guó)在地基區(qū)域?qū)Ш叫阅軝z查方面主要使用RNAV-Pro[3]工具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化篩查，RNAV-Pro[3]是由FAA定制開(kāi)發(fā)的一款多用途、標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)域?qū)Ш皆O(shè)計(jì)檢查工具，其應(yīng)用于評(píng)估RNAV和所需導(dǎo)航性能（RNP）航路的主要參數(shù)。這些參數(shù)包括TERPS標(biāo)準(zhǔn)篩查，可飛行狀態(tài)篩查，DME/DME篩查，雷達(dá)探測(cè)范圍篩查和通信覆蓋篩查。其中，TERPS標(biāo)準(zhǔn)篩查可以檢查終端和航路的環(huán)境是否滿足8260.40B，8260.44A，8260.50 和8260.51A對(duì)地形和障礙評(píng)估的要求；可飛行狀態(tài)篩查用于防止出現(xiàn)飛行器無(wú)法沿著設(shè)置的航路點(diǎn)飛行的情況；DME/DME覆蓋篩查用于檢查DME/DME臺(tái)站的幾何學(xué)有效性，以此來(lái)達(dá)到導(dǎo)航的準(zhǔn)確性；雷達(dá)探測(cè)范圍篩查和通信覆蓋篩查用以檢查雷達(dá)和通信設(shè)備信號(hào)的覆蓋范圍。

2 地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估系統(tǒng)

系統(tǒng)以高精度矢量數(shù)字地圖和現(xiàn)有通信導(dǎo)航監(jiān)視信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托空管ATM網(wǎng)絡(luò)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，采用客戶端/服務(wù)器和瀏覽器/服務(wù)器兩種模式，可為民航局空管局及地區(qū)空管局提供全國(guó)范圍內(nèi)的DME/DME設(shè)備評(píng)估服務(wù)。系統(tǒng)具備地圖管理、導(dǎo)航臺(tái)站管理、航路航線評(píng)估、終端區(qū)評(píng)估、DME/DME覆蓋精度分析等主要功能，如圖1所示。

圖1 RNAV-Pro評(píng)估系統(tǒng)Fig.1 RNAV-Pro evaluation system

2.1 地基區(qū)域?qū)Ш叫阅茉u(píng)估原理

地基區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的性能主要依賴于DME/DME導(dǎo)航臺(tái)站的更新區(qū)覆蓋情況，DME/DME更新區(qū)的覆蓋原理如圖2所示。

圖2 兩個(gè)DME臺(tái)站A與B的更新區(qū)Fig.2 Update area of DME A and DME B

A和B兩個(gè)DME臺(tái)站組成的更新區(qū)如圖2陰影部分所示，更新區(qū)為兩個(gè)DME臺(tái)站覆蓋重合的部分，覆蓋重合區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)與兩個(gè)DME臺(tái)站之間的夾角需在30°～150°之間，并且距離任意臺(tái)站3 n mile以內(nèi)的范圍不可用。

當(dāng)系統(tǒng)評(píng)估范圍內(nèi)的更新區(qū)滿足目標(biāo)要求的覆蓋水平時(shí)，即可認(rèn)為系統(tǒng)理論上具備以地基區(qū)域?qū)Ш椒绞竭\(yùn)行的能力。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)采用民航局空管局、地區(qū)空管局兩層構(gòu)架結(jié)構(gòu)[5]，如圖3所示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和Web服務(wù)器位于各機(jī)場(chǎng)，負(fù)責(zé)全國(guó)所有導(dǎo)航臺(tái)站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、收集、計(jì)算、發(fā)布功能，各地區(qū)空管局通過(guò)ATM專線以Web的形式訪問(wèn)服務(wù)器，開(kāi)展DME/DME評(píng)估和規(guī)劃工作。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture

系統(tǒng)主要以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)GIS平臺(tái)的空間運(yùn)算和分析功能實(shí)現(xiàn)航路安全分析的業(yè)務(wù)邏輯。

在數(shù)據(jù)庫(kù)使用方面，系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和本地?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合的運(yùn)行方式，地型數(shù)據(jù)和用戶評(píng)估產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，空域數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)文件中。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，把需要經(jīng)常變動(dòng)的空域數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獨(dú)立出來(lái)，可以方便地更新當(dāng)前的空域結(jié)構(gòu)。便于數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)上采用層次化設(shè)計(jì)[5-6]的方式，實(shí)現(xiàn)了不同職責(zé)系統(tǒng)功能的分離，達(dá)到了系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)松耦合的目的，如圖4所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)層由Oracle數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊組成，用以對(duì)整體系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)支持。

系統(tǒng)平臺(tái)層由SuperMap相關(guān)的系統(tǒng)組件及Web系統(tǒng)服務(wù)組件組成，對(duì)系統(tǒng)空間分析運(yùn)算及Web服務(wù)提供支撐。

業(yè)務(wù)邏輯層主要由自定義覆蓋計(jì)算引擎、數(shù)據(jù)分析器、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)對(duì)象、方案管理、報(bào)告輸出、用戶管理等模塊組成，各模塊之間以接口方式明確分工，業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)中最重要的組成部分，在系統(tǒng)運(yùn)作中起到紐帶的作用。

展示層是系統(tǒng)對(duì)用戶交互的平臺(tái)，由于用戶的特殊要求，本系統(tǒng)采取了窗體與Web兩種形式的界面結(jié)構(gòu)，適用于不同層次用戶的使用。

2.4 系統(tǒng)功能

1）地圖管理功能 構(gòu)建一個(gè)空域模型生成平臺(tái)。使用該平臺(tái)，可以完成全國(guó)現(xiàn)行空域結(jié)構(gòu)的二維虛擬再現(xiàn)。在該空域結(jié)構(gòu)中，主要包括機(jī)場(chǎng)、航路航線、導(dǎo)航設(shè)施、航路點(diǎn)、障礙物、保護(hù)區(qū)、終端區(qū)邊界等。用戶可以對(duì)該空域模型進(jìn)行基本的交互操作，如平移、縮放、查看和編緝空域?qū)ο竦膶傩?、添加和刪除空域?qū)ο竦取?/p>

圖4 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.4 System design structure

2）終端區(qū)DME/DME更新區(qū)評(píng)估功能 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶指定的終端區(qū)特定高度層DME/DME更新區(qū)覆蓋評(píng)估，為機(jī)場(chǎng)實(shí)施RANV前提供導(dǎo)航能力數(shù)據(jù)支持，也可為飛行程序劃設(shè)提供依據(jù)。

3）航路DME/DME更新區(qū)評(píng)估 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對(duì)于現(xiàn)有航路和預(yù)設(shè)航路DME/DME覆蓋評(píng)估，并可以設(shè)定航路評(píng)估間隔、航路高度，系統(tǒng)以航路覆蓋圖和DME對(duì)列表的形式提供評(píng)估結(jié)果。

4）區(qū)域DME/DME更新區(qū)評(píng)估 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶指定的區(qū)域、管制區(qū)特定高度層DME/DME更新區(qū)覆蓋評(píng)估，為地區(qū)用戶評(píng)估本地區(qū)DME/DME覆蓋，臺(tái)站建設(shè)規(guī)劃提供支持。

5）DME/DME更新區(qū)分析功能 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)DME/DME更新區(qū)覆蓋重?cái)?shù)分析、可用的空域范圍計(jì)算、導(dǎo)航臺(tái)導(dǎo)航精度評(píng)估、關(guān)鍵DME分析、評(píng)估報(bào)表功能。

6）飛行程序?qū)爰霸u(píng)估模塊 本系統(tǒng)為用戶提供導(dǎo)入預(yù)定義格式飛行程序的接口，以及實(shí)現(xiàn)飛行程序?qū)Ш侥芰Φ脑u(píng)估。

2.5 評(píng)估應(yīng)用

以系統(tǒng)的區(qū)域DME/DME更新區(qū)評(píng)估功能為依托，可以對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊運(yùn)行地基區(qū)域?qū)Ш竭M(jìn)離場(chǎng)程序的情況進(jìn)行規(guī)劃評(píng)估。以沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)為例，如圖5所示，機(jī)場(chǎng)2 500 km2內(nèi)3 000 m高度層的DME/DME覆蓋現(xiàn)狀多為不符合要求的深灰色區(qū)域，通過(guò)在機(jī)場(chǎng)周圍補(bǔ)充6部DME導(dǎo)航臺(tái)補(bǔ)盲后，預(yù)計(jì)有效覆蓋面積將可以達(dá)到80%以上，圖6為擬新增4個(gè)DME臺(tái)站后的覆蓋效果。

圖5 沈陽(yáng)3 000 m覆蓋（現(xiàn)狀）Fig.5 Coverage area of Shenyang at attitude of 3 000 m(current)

圖6 沈陽(yáng)3 000 m覆蓋（規(guī)劃后）Fig.6 Coverage area of Shenyang at attitude of 3 000 m(modified)

圖7 東北DME/DME覆蓋（現(xiàn)狀）Fig.7 CoverageareaofnortheastChinaatattitudeof7200m(current)

類似的評(píng)估也可用于航路階段，如圖7所示為東北地區(qū)7 200 m高度層DME/DME覆蓋現(xiàn)狀，在哈爾濱東北方向仍有較大的盲區(qū)缺口，通過(guò)補(bǔ)充2部導(dǎo)航臺(tái)站補(bǔ)盲后，伊春北側(cè)航路的理論運(yùn)行效果將有明顯改善（圖8為新增規(guī)劃后DME臺(tái)站后的覆蓋效果）。

圖8 東北DME/DME覆蓋（規(guī)劃后）Fig.8 Coverage area of northeast China at attitude of 7 200 m(modified)

3 結(jié)語(yǔ)

地基區(qū)域?qū)Ш皆u(píng)估系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式，以C/S與B/S系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的形式解決地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行精度與性能評(píng)估問(wèn)題，為地基區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行提供保障。該系統(tǒng)能夠?yàn)閷?dǎo)航臺(tái)站布局規(guī)劃提供明確且量化的數(shù)據(jù)指標(biāo)，且已部署于民航局空管局和各地區(qū)空管局，為通信導(dǎo)航監(jiān)視部門(mén)制定決策規(guī)劃，各地區(qū)空管局參考制定適合本地區(qū)的工作發(fā)展方案提供支持。

[1] 國(guó)際民航組織.Doc9613 AN/937，基于性能的導(dǎo)航手冊(cè)[S].蒙特利爾:國(guó)際民航組織，2008.

[2]國(guó)際民航組織.Doc8168 OPS/611，空中航行服務(wù)程序航空器運(yùn)行（第Ⅱ卷）目視和儀表飛行程序設(shè)計(jì)[S].蒙特利爾:國(guó)際民航組織，2006.

[3]美國(guó)聯(lián)邦航空局.RNAV-Pro用戶手冊(cè)[G].俄克拉荷馬市：美國(guó)聯(lián)邦航空局，2007.

[4]中國(guó)民用航空局.中國(guó)民航基于性能的導(dǎo)航實(shí)施路線圖[G].北京:中國(guó)民用航空局，2009.

[5]溫 昱.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[6] RIEHLE DIRK.Framework Design:A Role Modeling Approach[D]. Swiss:Swiss Federal Institute of Technology，2000.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Ground-based RNAV performance evaluation system design and application

ZHANG Ming-hao，ZHU Guo-hui，GUO Ping-ping
（R&D Dept.，Aviation Data Communication Corp oration，Beijing 100191，China）

Ground-based area navigation is an important part of the implementation of area navigation，and the operation of ground-based area navigation must evaluate the coverage and accuracy of the DME facilities，in this way to ensuring the effectiveness and safety.This article describes the basic calculation principle of the ground-based area navigation system，the network structure，the system design method and the function of system，such as data management，analysis and evaluation of navigation performance，data exchange，and so on.This paper also introduces an application case which combined the specific airport.The purpose of this paper is that giveing a solution to solve the problem of ground-based regional navigation performance assessment.

RNAV；navigation performance evaluation；signal coverage；update area；accuracy assessment

V249.3

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：16

1674－5590（2013）01－0005－04

2012-05-04；

2012-08-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAH24B08）

張明昊（1981—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榭沼蚬芾?