直升機PBN目視飛行程序研究

梁 新

（中國國際航空股份有限公司西南分公司成都飛行部，四川 成都 610202）

直升機是以動力驅(qū)動的旋翼作為主要升力和推進力來源，能垂直起落以及前后左右四向飛行的旋翼航空器[1]。直升機因其特殊的飛行原理和機動特點,在飛行程序中與傳統(tǒng)的固定翼飛機飛行程序存在著一定的差異，直升機作業(yè)時主要采用傳統(tǒng)目視飛行方式進行工作。傳統(tǒng)的目視飛行程序即為在可見天地線、地標(biāo)的天氣條件下，以目視判明航空器飛行狀態(tài)和方位的飛行程序[2]。國內(nèi)民航業(yè)內(nèi)，基于性能的導(dǎo)航(PBN：Performance Based Navigation)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用,但在通航中的應(yīng)用率卻近乎為零。通用航空發(fā)展的巨大潛力和我國對其的需求，要求我們不斷地提高導(dǎo)航能力，這與未來低空開放后的快速發(fā)展是契合的。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國通航對先進目視進近程序設(shè)計及運行規(guī)范的研究很少，主要集中于對目視飛行氣象條件和空中實施條件的描述，極大的限制了我國通用航空飛行的飛行作業(yè)量和發(fā)展。在低空空域即將開放的背景下，對于直升機先進目視飛行程序的設(shè)計和運行規(guī)范的研究都是必要的。近年來我國各通航公司所購置的如EC120、EC135、S76、592、Bell407、Bell429等機型均配置了導(dǎo)航管理系統(tǒng)等航電設(shè)備,其現(xiàn)有的導(dǎo)航能力和導(dǎo)航設(shè)備即可以滿足基于GNSS的飛行程序。因此在低空開放后或者直升機場具有PBN程序能力之后，可以直接開始運行。航空器的飛行程序是需要精確的引導(dǎo)的，但以全球定位系統(tǒng)（GPS：Global Positioning System）作為導(dǎo)航源的GNSS程序在某些方面并不能達到要求。在通航產(chǎn)業(yè)發(fā)達的美國，最新的8260.42B文件中就公布了基于WAAS增強的直升機飛行程序規(guī)范。廣域增強系統(tǒng)(WAAS:Wide Area Augmentation System)是根據(jù)美國聯(lián)邦航空局(FAA：Federal Aviation Administration)導(dǎo)航需求而建設(shè)的GPS性能增強系統(tǒng),由若干已知點位的參考站、中心站、地球同步衛(wèi)星和具有差分處理功能的用戶接收機組成[3]。美國WAAS系統(tǒng)由3個主站(兼參考站)、25個參考站、1個上行注入站和1顆地球同步衛(wèi)星組成,覆蓋北美和墨西哥周邊地區(qū)。使用了WAAS后，直升機飛行程序具有更窄的保護區(qū)和超過傳統(tǒng)儀表程序的精度，并能提供垂直引導(dǎo)，構(gòu)造成為三維的飛行程序。

2 基于GNSS的直升機PBN飛行程序設(shè)計特點

在我國，直升機飛行程序正處于初步發(fā)展階段，采用傳統(tǒng)的目視和儀表飛行程序，而基于PBN的目視飛行在直升機上的應(yīng)用幾乎沒有。在直升機場的運行方面，發(fā)展也較為緩慢，大型的直升機場只有一套傳統(tǒng)儀表進近程序，而對于小型直升機場來說，只有簡單的目視程序。傳統(tǒng)的飛行程序設(shè)計受到地形的限制，飛行程序的保護區(qū)寬度與距離導(dǎo)航臺的位置有關(guān)系，當(dāng)距離導(dǎo)航臺比較遠時，導(dǎo)航的精度會降低，隨著導(dǎo)航精度的降低，影響飛行安全的障礙物數(shù)量也會相對增加[4]。這對于工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常于近海和山區(qū)執(zhí)行飛行任務(wù)的直升機來說無異于是雪上加霜。由于傳統(tǒng)的飛行程序需要管制員進行大量的思維活動，調(diào)配飛機避開潛在的飛行沖突，而且需要大量的陸空對話，這在給管制員帶來巨大的工作負荷的同時，也增加了危險的系數(shù)。因此，選擇適合直升機的先進飛行程序，是有百害而無一利的。

以航空器通過航路點的方式可以將飛行程序中的定位點分為旁切航路點和飛越航路點兩類[5]。旁切航路點是指要求在到達該點之前進行轉(zhuǎn)彎以使飛機切入下一段航路或程序段的航路點；而飛越航路點是指為加入下一段航路或程序而飛越該點開始轉(zhuǎn)彎的航路點。與傳統(tǒng)程序因?qū)Ш皆O(shè)施位置和性能而產(chǎn)生的誤差不同，PBN航路點的定位容差區(qū)只由導(dǎo)航性能決定，而與環(huán)境無關(guān)，通過飛躍航路和旁切航路點的不同，可以考慮以下幾種設(shè)計方式：前后兩個點都是旁切航路點，如圖1所示。

圖1 雙旁切航路點

旁切航路點在前，飛越航路點在后，如圖2所示。

圖2 旁切至飛躍航路點

前后兩個航路點都是飛越航路點，如圖3所示。飛越航路點在前，旁切航路點在后，如圖4所示。

圖3 雙飛越航路點

程序設(shè)計中，應(yīng)考慮在兩個航路點之間的最小穩(wěn)定距離。如果兩個航路點相隔過近，航空器就有可能在機動飛行中錯過航路點。每一個航路點都要確定一個最短轉(zhuǎn)彎距離。連續(xù)的兩個航路轉(zhuǎn)彎點之間的最小距離是兩個航路點的最小穩(wěn)定距離之和。在此僅對和本文設(shè)計相關(guān)的旁切航路點穩(wěn)定距離進行介紹。旁切航路點的最短穩(wěn)定距離分為L1和L2兩個部分，有公式

其中V為航空器的真空速，r為航空器的轉(zhuǎn)彎半徑，θ為轉(zhuǎn)彎角度。

根據(jù)轉(zhuǎn)彎的類型、轉(zhuǎn)彎角度和飛行航段的區(qū)別，飛行轉(zhuǎn)彎分為在一個轉(zhuǎn)彎點（TP）轉(zhuǎn)彎、在指定高度/高（TA/H）轉(zhuǎn)彎以及固定半徑（RF）轉(zhuǎn)彎。

在一個轉(zhuǎn)彎點轉(zhuǎn)彎可能是在一個飛越航路點或是一個旁切航路點，根據(jù)轉(zhuǎn)彎角度和飛行航段的不同，應(yīng)使用兩種不同的轉(zhuǎn)彎保護區(qū)構(gòu)成方法：風(fēng)螺旋線/邊界圓法以及圓弧法。在IAF或IF轉(zhuǎn)彎大于 30°或在FAF 轉(zhuǎn)彎大于10°時使用風(fēng)螺旋線/邊界圓法；在IAF或IF轉(zhuǎn)彎小于等于30°以及在FAF轉(zhuǎn)彎小于等于10°時使用圓弧法。

程序設(shè)計中符合在IAF或IF轉(zhuǎn)彎大于30°的條件，所以對風(fēng)螺旋線畫法/邊界圓的繪制方法進行介紹：風(fēng)螺旋線/邊界圓繪制轉(zhuǎn)彎保護區(qū)的基本參數(shù)以及影響繪圖的變量參數(shù)有高度、風(fēng)、IAS、轉(zhuǎn)彎坡度以及飛行技術(shù)容差。其中用于轉(zhuǎn)彎設(shè)計的參數(shù)計算方法有：

1)以度為單位的轉(zhuǎn)彎率（R）計算公式

圖4 飛越至旁切航路點

2)無風(fēng)條件下按指定坡度轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)彎半徑（r），以千米或海里為單位。給定 R值時轉(zhuǎn)彎半徑可通過下列公式得到：

3)轉(zhuǎn)彎θ角度所用時間風(fēng)的影響（Eθ）。

因為在采用風(fēng)螺旋線的方法中，保護區(qū)應(yīng)以轉(zhuǎn)彎半徑為基礎(chǔ)劃設(shè)。轉(zhuǎn)彎半徑（R）根據(jù)特定的真空速值（TAS）和轉(zhuǎn)彎坡度（tanα）計算得到。而轉(zhuǎn)彎區(qū)外邊界用風(fēng)螺旋線進行設(shè)計，該風(fēng)螺旋線源于轉(zhuǎn)彎半徑。風(fēng)螺旋線通過在理想飛行航跡之上增加風(fēng)的影響 Eθ得到,有公式：

圖5、圖6為設(shè)計程序中的保護區(qū)劃設(shè)規(guī)范。

根據(jù)以上要求，基于GNSS的非精密程序形成了兩側(cè)有偏置起始進近航段，中間為直線進近的T型或者Y型程序布局。

3 基于GNSS的直升機PBN進近程序運行特點

圖5 在旁切航路點轉(zhuǎn)彎

圖6 在轉(zhuǎn)彎點保護區(qū)的融合

圖7 T型GNSS進近程序布局

直升機的儀表進近程序是直升機根據(jù)飛行儀表提供的方位、距離和下滑等信息，對障礙物保持規(guī)定的超障余度所進行的一系列預(yù)定的機動飛行程序[6-8]。這種飛行程序是從規(guī)定的進場航路或起始進近定位點開始，到能夠完成目視著陸的一點為止。儀表進近程序應(yīng)包括進場程序段、進近程序段和復(fù)飛程序段。特別需要注意的是，航空器的性能差異將直接影響實施一定的機動飛行所需的空域和能見度，并且影響飛行程序的各項參數(shù)。航空器的性能上最重要的因素是空速。固定翼航空器的分類就是根據(jù)航空器允許的最大著陸重量在著陸形態(tài)的失速速度的 1.3 倍確定的。但是以失速速度確定航空器分類的方法不適用于直升機。直升機作為飛機運行時，可作為 A類飛機分類。但對供直升機使用的專用飛行程序應(yīng)標(biāo)明“H”，不能在直升機/飛機共用飛行程序的同一張儀表進近圖上公布。直升機專用程序的設(shè)計使用A類飛機的常規(guī)作法和實踐方法。雖然某些準(zhǔn)則如最小速度和下降梯度等有所不同，但使用原理相同。對A 類飛機程序設(shè)計的規(guī)范同樣用于直升機程序。

4 基于GNSS的直升機PBN飛行程序的優(yōu)越性

直升機的傳統(tǒng)進近程序與固定翼航空器一樣，是基于地面導(dǎo)航臺提供的導(dǎo)航信號，依賴對臺背臺飛行。這種飛行方式由民航發(fā)展而來，是現(xiàn)階段最為成熟的飛行程序。傳統(tǒng)程序適用范圍廣，工作性能可靠，具有模式化的優(yōu)點。但缺點顯而易見，飛行航路非常依賴于地面導(dǎo)航臺的地理位置。經(jīng)常在山區(qū)和海面等特殊環(huán)境工作的直升機無法滿足這樣的條件。同時傳統(tǒng)程序的航路較長、超障的保護區(qū)較大，對于機動能力強，但受制于航程的直升機來說經(jīng)濟效益和工作效率都是有負效果的。

相對于傳統(tǒng)程序，基于PBN的飛行程序充分利用直升機機載設(shè)備和性能，沿著期望的航跡飛行。所以直升機可以充分發(fā)揮機動能力強的特點，更高效的完成飛行程序。由于該程序依靠于導(dǎo)航信號的覆蓋，所以對于傳統(tǒng)地面設(shè)施的要求較低，這對于直升機惡劣的工作環(huán)境是有利的。但是在我國北斗導(dǎo)航設(shè)施尚未建成，其他國各自對應(yīng)的導(dǎo)航增強系統(tǒng)不適用我國的情況下，短時間內(nèi)我國不能達到高精度的基于PBN的程序要求。所以傳統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)施能提供更高精度的程序。但是隨著我國低空的逐步開放，以及對應(yīng)導(dǎo)航設(shè)施的完善，基于PBN的程序?qū)⒅饾u成為直升機飛行程序的主流。

5 結(jié)論

隨著我國低空的逐漸開放，通用航空飛行量必然會迎來井噴式增長。而作為通航主體的直升機必將大量的參與到飛行任務(wù)中去。通過借鑒西方發(fā)達國家經(jīng)驗，選擇符合中國國情、適合直升機的性能、減少管制員壓力的先進直升機飛行程序是順應(yīng)通用航空發(fā)展的必須工作。本文首先通過分析各國先進直升機飛行程序，甄選符合直升機性能特征的PBN飛行程序，給出了符合我國國情和滿足我國通用航空未來發(fā)展的直升機進近程序方案。隨后對直升機傳統(tǒng)儀表進近程序和基于GNSS的進近程序的規(guī)范參數(shù)進行了比較，體現(xiàn)出了PBN程序的優(yōu)越性。

雖然基于GNSS的直升機非精密進近程序精度已經(jīng)與傳統(tǒng)的儀表進近程序接近，但是GPS的可靠性和精確度并無法滿足直升機對于飛行程序的要求。但西方各國已經(jīng)采用或者測試有增強系統(tǒng)的基于GNSS的直升機飛行程序，增強系統(tǒng)所提供的垂直引導(dǎo)大幅增強了導(dǎo)航精度，縮減了飛行保護區(qū)，提供垂直引導(dǎo)。本文由于篇幅有限，未能分析我國基于北斗系統(tǒng)的增強系統(tǒng)的發(fā)展，直升機飛行程序?qū)⒂性鯓拥淖兓５S著我國北斗系統(tǒng)的建設(shè)完成，有增強系統(tǒng)的PBN直升機精密飛行程序的設(shè)計將走上日程，成為我國通用航空發(fā)展的堅實基礎(chǔ)。

[1] FAA. US St andard for Helicopter (RNAV |8260.42 REV B-2009|)[Z]. 2009-03-10.

[2] ICAO , Aircraft Operations Volume II Construction of Visual and Instrument Flight Procedures (Doc8168) [Z]. 2014-04-11.

[3]中國民用航空局.運輸類旋翼航空器適航規(guī)定(CCAR-29-R4)[Z].北京:中國民航局.2002.

[4]劉渡輝.我國區(qū)域?qū)Ш胶铰泛瓦M離場程序設(shè)計方法研究[D].成都:西南交通大學(xué).2006.

[5]宋煒琳,譚述森.WAAS技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].無線電工程,2007,(6):50-52.

[6]杜娟. 星基增強系統(tǒng)互操作及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院,2015.

[7]張俊俊. 遂寧機場PBN飛行程序設(shè)計與評估[D].廣漢：中國民用航空飛行學(xué)院,2012.

[8]趙巍巍. 綿陽機場目視飛行程序研究[D].廣漢：中國民用航空飛行學(xué)院,2009.