RNAV中如何控制飛機(jī)沿4D軌跡飛行

1、RNAV 中如何控制飛機(jī)沿 4D 軌跡飛行 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空運(yùn)輸?shù)目焖僭鲩L，航路變得擁擠、機(jī)場的飛行量越來 越大，傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法在處理繁忙機(jī)場、 航路擁擠方面已經(jīng)有些力不從心。 傳統(tǒng) 的導(dǎo)航是利用 NDB,VOR 和 DME 等一些無線電設(shè)備引導(dǎo)飛機(jī)飛向或飛越導(dǎo)航 臺，使得航線的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航方法束縛于導(dǎo)航臺， 限制了飛行流量的增加同時也使 得航線過長延長了飛行時間增加了航空公司成本的消耗加大了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。 RANV 能夠很好的解決這一問題。 RNAV 是一種導(dǎo)航方式， 是世界民航導(dǎo)航方式 發(fā)展的趨勢，而基于 4D 軌跡的 4D-RNAV 是區(qū)域?qū)Ш桨l(fā)展的最終形式。 在無線電沒應(yīng)用前，早

2、期的導(dǎo)航方式是利用有顏色的烽火線來引導(dǎo)飛機(jī)達(dá)到 目的地。無線電的發(fā)明與其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用使得空中交通管制人員可以確定飛 機(jī)的高度和到達(dá)時間， 進(jìn)而也誕生了管制這一行業(yè)。 二戰(zhàn)中雷達(dá)的出現(xiàn)為空中交 通管制的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。六十年代末自動控制技術(shù)被引入到航空 界，從此實(shí)現(xiàn) 4D 軌跡將不再僅僅是一個概念和設(shè)想。 1 什么是 RNAV 國際民航組織在國際民航公約附件 11 中對區(qū)域?qū)Ш降亩x是：在以臺站為 基準(zhǔn)的導(dǎo)航設(shè)備的覆蓋范圍內(nèi)， 或在自備導(dǎo)航設(shè)備性能的限度內(nèi)， 或在兩者結(jié)合 的條件下，允許航空器在任何欲飛航徑上運(yùn)行的一種導(dǎo)航方法 1 。區(qū)域?qū)Ш降膶?shí) 施在航路上可以使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)兩地的直線

3、飛行， 不再飛向或飛越導(dǎo)航臺， 終端進(jìn)近 時可以達(dá)到準(zhǔn)確、安全、快速的進(jìn)近，減少了飛機(jī)起降的時間，提高了機(jī)場的流 量。 實(shí)施區(qū)域?qū)Ш娇梢造`活的設(shè)置飛行路線， 更加有效的利用空域解決復(fù)雜地形 的飛行程序設(shè)計； 可以增強(qiáng)飛行員的情景意識， 減輕管制員的工作負(fù)荷； 可以增 加航空公司的經(jīng)濟(jì)效益；還可以減少對環(huán)境的污染。 2 什么是 4D-RNAV 4D-RNAV是在平面RNAV勺基礎(chǔ)上加入了高度參數(shù)和時間參數(shù)，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 RNAV 的 RNAV 航路上通過控制飛機(jī)達(dá)到各個設(shè)定航路點(diǎn)的時間來實(shí)現(xiàn)對飛機(jī) 飛行的控制。4D-RNAV是導(dǎo)航方式的革命，只要確定了起飛時刻，飛機(jī)起飛到著 陸過程中勺飛行狀態(tài)是

4、完全可以預(yù)見勺， 它徹底勺實(shí)現(xiàn)了讓飛機(jī)完全按照預(yù)想航 線飛行的目標(biāo)。 3 什么是 4D 軌跡 要了解4D軌跡，先要從3D軌跡說起。3D軌跡是對飛機(jī)飛行航路的精確描述， 航路上的每一點(diǎn)都對應(yīng)著飛行所選坐標(biāo)系的經(jīng)度、 緯度和高度， 但是不包含時間 參數(shù)。 4D 軌跡是在原來 3D 軌跡的基礎(chǔ)上加入了時間參數(shù)。它是對飛機(jī)飛行航路 更精確的描述，4D軌跡是一個連續(xù)的航線，4D軌跡上的每一個點(diǎn)都對應(yīng)著到達(dá) 該點(diǎn)的時刻。 4 4D軌跡和4D-RNAV的關(guān)系 4D軌跡早在二戰(zhàn)時期就已經(jīng)提出，但當(dāng)時的物質(zhì)與技術(shù)條件尚不成熟，無 法實(shí)現(xiàn)精確的4D軌跡。隨著時代的進(jìn)步，各種先進(jìn)的通訊、導(dǎo)航和監(jiān)視設(shè)備的 出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)

5、精確的4D軌跡提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。航空電子系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備 的發(fā)展也是日新月異。以前衛(wèi)星導(dǎo)航是 GPS和GNSS的天下，但是我國的北斗二 代衛(wèi)星的發(fā)射成功 ?待續(xù) 4D軌跡最早的實(shí)現(xiàn)是通過無線電通訊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn) 4D軌跡的途徑 有很多，根據(jù)我國現(xiàn)有的導(dǎo)航設(shè)施布局情況，基于 VOR/DME和DME/DME的導(dǎo) 航是可以實(shí)現(xiàn)RNAV的。但要實(shí)現(xiàn)4D-RNAV，我國可利用的資源有DME/DME 和北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)。4D-RNAV是4D軌跡的理論基礎(chǔ)，4D-RNAV也是實(shí)現(xiàn)4D 軌跡的最佳方式，而4D軌跡是4D-RNAV的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段通過4D-RNAV來完成對 4D軌跡的實(shí)現(xiàn)是合乎邏輯發(fā)展的

6、也是符合歷史發(fā)展的。 5 RNAV 中如何實(shí)現(xiàn) 4D 軌跡 5.1 4D-RNAN系統(tǒng)中的時間參數(shù) 4D-RNA系統(tǒng)引入了一個非常重要的參數(shù)即時間參數(shù)。4軌跡中定義了一定 數(shù)量的航路點(diǎn) , 軌跡中的每一個點(diǎn)都對應(yīng)一個相應(yīng)的到達(dá)時間。這些航路點(diǎn)可用 來檢查飛機(jī)是否在規(guī)定的時間到達(dá)各航路點(diǎn)， 這樣就可以確保飛機(jī)能在規(guī)定的時 間到達(dá)最后一個航路點(diǎn)。 4D-RNA中對到達(dá)時間的控制僅通過對飛機(jī)速度的控制來實(shí)現(xiàn)。多方面的實(shí) 驗證明了風(fēng)速和風(fēng)向?qū)刂骑w機(jī)的速度有著重要的影響， 所以要通過機(jī)載的大氣 數(shù)據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)以最佳時間間隔測量風(fēng)的各項數(shù)據(jù)。 根據(jù)獲得的各項數(shù)據(jù)， 發(fā)出 指令調(diào)控飛機(jī)的速度，使飛機(jī)以指定

7、的空速沿著4D軌跡飛行。 5.2空速指令的生成 區(qū)域?qū)Ш皆诤铰泛徒K端區(qū)都有應(yīng)用，在終端區(qū)實(shí)施區(qū)域?qū)Ш绞潜疚挠懻摰闹?點(diǎn)。圖一是在終端區(qū)實(shí)施區(qū)域?qū)Ш降倪M(jìn)近路徑圖3。 飛機(jī)的實(shí) 丫黴漩看陸慕統(tǒng)和跚E GS議荻點(diǎn) 14 徽說查陸 索練覆舌 V- f &遇啡著毘基紙 圖1 一逬近路徑圖* 進(jìn)近領(lǐng)航于飛機(jī)到達(dá) WP8J寸開始，與此同時到達(dá)時間的控制4D領(lǐng)航也開始 （如圖1）。在WP1（之前一點(diǎn)，給出一個預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)彎坡度指令，在 WP11之前 執(zhí)行一個定常的垂直加速度操作以實(shí)現(xiàn) 5的轉(zhuǎn)彎坡度。WP12到13的直線段航 路是4D領(lǐng)航規(guī)則的最后部分。為了確保航路的精度，剩下的航段除了由系統(tǒng)獲 得外，應(yīng)該遵守

8、橫向和縱向航路上的飛行規(guī)則。 橫向的領(lǐng)航規(guī)則是 c=KiY K2丫 (1) 其中，p 0，在直線航路和圓形航路上, 2 丄iVo p tan r 垂直行路上的領(lǐng)航規(guī)則是 c Kherr K 4 err K herrdt (3 V gV g 如上所述，4D-RNAV開始于WP8，從這點(diǎn)，系統(tǒng)就嘗試用給定的時間到達(dá) WP13?？刂频竭_(dá) WP13的時間僅基于速度的控制，速度控制通過控制作為空速 控制誤差的功能減速來提供。在飛行控制模式中，空速指令顯示在EADI上?？?速指令Vcref是額定空速Van和飛機(jī)位置誤差n倍的代數(shù)和，這里N=0.04。即： Vcref Van 0.04 S( 4) 其中S是

9、沿著航跡方向上飛機(jī)的實(shí)際位置和目標(biāo)位置間的距離。當(dāng)S0 時，表示飛機(jī)在目標(biāo)位置的前面3。 在RNAV中，從WP8到WP13的時間是事先計算好的。這個時間的控制是 完全基于對飛機(jī)速度的控制，飛機(jī)一到達(dá)WP8,系統(tǒng)就給定一個空速，飛機(jī)必 須嚴(yán)格的按照給定的空速飛行?？紤]到風(fēng)速，飛機(jī)下一個目標(biāo)位置每10sec就要 重新計算，計算時以最新的風(fēng)速和風(fēng)向為基準(zhǔn)。 實(shí)時風(fēng)速計算確保了飛機(jī)以規(guī)定 的時間到達(dá)每一個航路點(diǎn)。為了安全和其他操作的需要，空速指令Vcref的取值 范圍限定在實(shí)現(xiàn)規(guī)定的最大值和最小值之間。 空速的最大值和最小值可按照 FAA有關(guān)規(guī)定來確定。民航運(yùn)輸飛機(jī)空中最小 飛行速度應(yīng)不小于失速速度(

10、Vs( $)的1.3倍,不小于起始抖動速度(Vib() 的1.2倍；在3，048 m高度以下,速度不大于463km/h,不大于對應(yīng)襟翼偏度的 標(biāo)牌速度(VP( S )。而飛機(jī)能飛的最大允許速度通常比失速速度大80%,所以可 以認(rèn)為1.8 Vs為飛機(jī)的規(guī)定的最大值。因此速度范圍就可以表示 為:max(1.3 Vs( $ )，1.2VIB( S )，min(463，VR S )，1.8 Vs( S ) km/h。其 中S為襟翼偏度4。 5.3到達(dá)時間的計算 下面將會舉例說明如何從當(dāng)前位置估算到達(dá)一個指定航路點(diǎn)的時間 i ds i GN ( S i ) ti表示從WPi到WPi 1的時間，t i0d

11、 。那么 t j ,其中i J。如圖所示假設(shè) Wp10為最終的航路點(diǎn), 即關(guān)鍵航路點(diǎn)，飛機(jī)到達(dá) wp4的時間為t4 t 9 10 j 4 6在我國實(shí)施區(qū)域?qū)Ш降目尚行苑治?區(qū)域?qū)Ш綇奶岢龅桨l(fā)展至今，已經(jīng)有了比較成熟的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。美國和歐洲 有相當(dāng)一部分機(jī)場已成功的實(shí)施了航路和終端的區(qū)域?qū)Ш?，我國可以此為鑒。目 前國內(nèi)80%上的航空器的機(jī)載設(shè)備都滿足區(qū)域?qū)Ш降囊?，近期我國北斗二?的發(fā)射成功及后續(xù)發(fā)展為我國實(shí)現(xiàn) 4D-RNAN提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。這意味 著中國可以逐步實(shí)現(xiàn)自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，而不再受制于美國和歐洲國家的 GPS從而實(shí)現(xiàn)用自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш?。?dāng)然這個目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還需 要付出更多的努力。 參考文獻(xiàn) 1 國際民用航空公約附件11.空中交通服務(wù)第十三版 2001年7月 2 張煥.空中領(lǐng)航學(xué).西南交通大學(xué)出版社.2003年 3 Frank Neuman,David N.Warner,and Francis J.Moran AmesResearch Center A FLIGHT INVESTIGATION OF A 4D AREA NAVIGATION