(完整版)RNAV中如何控制飛機沿4D軌跡飛行

1、RNAV 中如何控制飛機沿 4D 軌跡飛行引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，航空運輸?shù)目焖僭鲩L，航路變得擁擠、機場的飛行量越來 越大，傳統(tǒng)的導航方法在處理繁忙機場、 航路擁擠方面已經(jīng)有些力不從心。 傳統(tǒng) 的導航是利用 NDB,VOR 和 DME 等一些無線電設備引導飛機飛向或飛越導航 臺，使得航線的結構和導航方法束縛于導航臺， 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)境的負擔。 RANV 能夠很好的解決這一問題。 RNAV 是一種導航方式， 是世界民航導航方式 發(fā)展的趨勢，而基于 4D 軌跡的 4D-RNAV 是區(qū)域導航發(fā)展的最終形式。在無線電沒應用前，早期的導

2、航方式是利用有顏色的烽火線來引導飛機達到 目的地。無線電的發(fā)明與其在航空領域的應用使得空中交通管制人員可以確定飛 機的高度和到達時間， 進而也誕生了管制這一行業(yè)。 二戰(zhàn)中雷達的出現(xiàn)為空中交 通管制的發(fā)展提供了強大的技術支持。六十年代末自動控制技術被引入到航空 界，從此實現(xiàn) 4D 軌跡將不再僅僅是一個概念和設想。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)域導航的定義是：在以臺站為 基準的導航設備的覆蓋范圍內(nèi)， 或在自備導航設備性能的限度內(nèi)， 或在兩者結合 的條件下，允許航空器在任何欲飛航徑上運行的一種導航方法 1 。區(qū)域導航的實 施在航路上可以使飛機實現(xiàn)兩地的直線飛行， 不

3、再飛向或飛越導航臺， 終端進近 時可以達到準確、安全、快速的進近，減少了飛機起降的時間，提高了機場的流 量。實施區(qū)域導航可以靈活的設置飛行路線， 更加有效的利用空域解決復雜地形 的飛行程序設計； 可以增強飛行員的情景意識， 減輕管制員的工作負荷； 可以增 加航空公司的經(jīng)濟效益；還可以減少對環(huán)境的污染。2 什么是 4D-RNAV4D-RNAV是在平面 RNAV的基礎上加入了高度參數(shù)和時間參數(shù)， 在已經(jīng)實現(xiàn)了 RNAV 的 RNAV 航路上通過控制飛機達到各個設定航路點的時間來實現(xiàn)對飛機 飛行的控制。 4D-RNAV是導航方式的革命，只要確定了起飛時刻，飛機起飛到著 陸過程中的飛行狀態(tài)是完全可以預

4、見的， 它徹底的實現(xiàn)了讓飛機完全按照預想航線飛行的目標。3 什么是 4D 軌跡要了解4D軌跡，先要從3D軌跡說起。 3D 軌跡是對飛機飛行航路的精確描述， 航路上的每一點都對應著飛行所選坐標系的經(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 軌跡的基礎上加入了時間參數(shù)。它是對飛機飛行航路 更精確的描述， 4D軌跡是一個連續(xù)的航線， 4D軌跡上的每一個點都對應著到達 該點的時刻。4 4D 軌跡和 4D-RNAV 的關系4D軌跡早在二戰(zhàn)時期就已經(jīng)提出，但當時的物質與技術條件尚不成熟，無 法實現(xiàn)精確的 4D軌跡。隨著時代的進步，各種先進的通訊、導航和監(jiān)視設備的 出現(xiàn)為實現(xiàn)精確的

5、 4D軌跡提供了強有力的技術支持。航空電子系統(tǒng)和機載設備 的發(fā)展也是日新月異。以前衛(wèi)星導航是 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軌跡最早的實現(xiàn)是通過無線電通訊設備來實現(xiàn)，目前實現(xiàn) 4D軌跡的途徑 有很多，根據(jù)我國現(xiàn)有的導航設施布局情況，基于 VOR/DME 和 DME/DME 的導 航是可以實現(xiàn) RNAV 的。但要實現(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， 4D-RNAV 也是實現(xiàn) 4D 軌跡的最佳方式， 而4D軌跡是4D-RNAV 的實現(xiàn)?，F(xiàn)階段通過 4D-RNAV來完成對 4

6、D軌跡的實現(xiàn)是合乎邏輯發(fā)展的也是符合歷史發(fā)展的。5 RNAV 中如何實現(xiàn) 4D 軌跡5.1 4D-RNAV系統(tǒng)中的時間參數(shù)4D-RNAV系統(tǒng)引入了一個非常重要的參數(shù)即時間參數(shù)。 4D軌跡中定義了一定 數(shù)量的航路點 , 軌跡中的每一個點都對應一個相應的到達時間。這些航路點可用 來檢查飛機是否在規(guī)定的時間到達各航路點， 這樣就可以確保飛機能在規(guī)定的時 間到達最后一個航路點。4D-RNAV中對到達時間的控制僅通過對飛機速度的控制來實現(xiàn)。多方面的實 驗證明了風速和風向對控制飛機的速度有著重要的影響， 所以要通過機載的大氣 數(shù)據(jù)計算機系統(tǒng)以最佳時間間隔測量風的各項數(shù)據(jù)。 根據(jù)獲得的各項數(shù)據(jù)， 發(fā)出指令調(diào)

7、控飛機的速度，使飛機以指定的空速沿著 4D軌跡飛行。5.2 空速指令的生成區(qū)域導航在航路和終端區(qū)都有應用， 在終端區(qū)實施區(qū)域導航是本文討論的重 點。圖一是在終端區(qū)實施區(qū)域導航的進近路徑圖 3。進近領航于飛機到達 WP8時開始，與此同時到達時間的控制 4D 領航也開始 ( 如圖 1) 。在 WP10之前一點，給出一個預先設定的轉彎坡度指令，在 WP11之前 執(zhí)行一個定常的垂直加速度操作以實現(xiàn) 5的轉彎坡度。 WP12到 13 的直線段航 路是 4D 領航規(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，應該遵守橫向和縱向航路上的飛行規(guī)則。橫向的領航規(guī)則是c=K1Yerr K 2Y

8、1)其中，0 ，在直線航路和圓形航路上，21V2gp tan R垂直行路上的領航規(guī)則是c K herr K 4 err K herrdt ( 3)V gV g如上所述， 4D-RNAV 開始于 WP8，從這點，系統(tǒng)就嘗試用給定的時間到達 WP13。控制到達 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V cref是額定空速 VAN 和飛機位置誤差 n倍的代數(shù)和，這里 N=0.04。即：V cref V AN 0.04 S( 4)其中 S 是沿著航跡方向上飛機的實際位置和目標位置間的距離。當 S0

9、 時，表示飛機在目標位置的前面 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 完全基于對飛機速度的控制，飛機一到達 WP8，系統(tǒng)就給定一個空速，飛機必 須嚴格的按照給定的空速飛行?？紤]到風速，飛機下一個目標位置每10sec就要重新計算， 計算時以最新的風速和風向為基準。 實時風速計算確保了飛機以規(guī)定 的時間到達每一個航路點。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有關規(guī)定來確定。 民航運輸飛機空中最小 飛行速度應不小于失速速度 ( vs() 的 1.3 倍,不小于起

10、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,不大于對應襟翼偏度的 標牌速度 (VP() 。而飛機能飛的最大允許速度通常比失速速度大 80%, 所以可 以 認 為 1.8 vs 為 飛 機 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 ( ) ，min(463，VP()，1.8 vs() km/h。其 中為襟翼偏度 4 。5.3 到達時間的計算下面將會舉例說明如何從當前位置估算到達一個指定航路點的時間ids i GN ( S i )ti表示從WPi到WPi

11、 1的時間，t i0d。那么J1 t i t Jjit j ，其中 i J 。如圖所示假設WP10 為最終的航路點，910j4即關鍵航路點，飛機到達 WP4 的時間為 t4 t6 在我國實施區(qū)域導航的可行性分析區(qū)域導航從提出到發(fā)展至今， 已經(jīng)有了比較成熟的規(guī)范和標準。 美國和歐洲 有相當一部分機場已成功的實施了航路和終端的區(qū)域導航， 我國可以此為鑒。 目 前國內(nèi) 80%以上的航空器的機載設備都滿足區(qū)域導航的要求， 近期我國北斗二代 的發(fā)射成功及后續(xù)發(fā)展為我國實現(xiàn) 4D-RNAV提供了物質基礎和技術支持。 這意味 著中國可以逐步實現(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，從而實現(xiàn)用自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域導航。當然這個目標的實現(xiàn)還需 要付出更多的努力。參考文獻1 國際民用航空公約 . 附件 11. 空中交通服務 . 第十三版 . 2001 年 7 月2 張煥. 空中領航學 . 西南交通大學出版社 . 2003 年3 Frank Neuman,David N.Warner,and Francis J.Moran AmesR esearch Center A FLIGHT INVESTIGATION OF A 4D AREA NAVIGAT