(完整版)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(shí)也使 得航線過長延長了飛行時(shí)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，早期的導(dǎo)

2、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(shí)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(gè)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)兩地的直線飛行， 不

3、再飛向或飛越導(dǎo)航臺， 終端進(jìn)近 時(shí)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(shí)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(jì)； 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-RNAV4D-RNAV是在平面 RNAV的基礎(chǔ)上加入了高度參數(shù)和時(shí)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(gè)設(shè)定航路點(diǎn)的時(shí)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(shí)刻，飛機(jī)起飛到著 陸過程中的飛行狀態(tài)是完全可以預(yù)

4、見的， 它徹底的實(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(shí)間 參數(shù)。4D 軌跡是在原來 3D 軌跡的基礎(chǔ)上加入了時(shí)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(gè)連續(xù)的航線， 4D軌跡上的每一個(gè)點(diǎn)都對應(yīng)著到達(dá) 該點(diǎn)的時(shí)刻。4 4D 軌跡和 4D-RNAV 的關(guān)系4D軌跡早在二戰(zhàn)時(shí)期就已經(jīng)提出，但當(dāng)時(shí)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(shí)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)精確的

5、 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

6、軌跡的實(shí)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(shí)現(xiàn) 4D 軌跡5.1 4D-RNAV系統(tǒng)中的時(shí)間參數(shù)4D-RNAV系統(tǒng)引入了一個(gè)非常重要的參數(shù)即時(shí)間參數(shù)。 4D軌跡中定義了一定 數(shù)量的航路點(diǎn) , 軌跡中的每一個(gè)點(diǎn)都對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的到達(dá)時(shí)間。這些航路點(diǎn)可用 來檢查飛機(jī)是否在規(guī)定的時(shí)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(shí) 間到達(dá)最后一個(gè)航路點(diǎn)。4D-RNAV中對到達(dá)時(shí)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(yàn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)以最佳時(shí)間間隔測量風(fēng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 根據(jù)獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)， 發(fā)出指令調(diào)控

7、飛機(jī)的速度，使飛機(jī)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?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。進(jìn)近領(lǐng)航于飛機(jī)到達(dá) WP8時(shí)開始，與此同時(shí)到達(dá)時(shí)間的控制 4D 領(lǐng)航也開始 ( 如圖 1) 。在 WP10之前一點(diǎn)，給出一個(gè)預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)彎坡度指令，在 WP11之前 執(zhí)行一個(gè)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=K1Yerr

8、 K 2Y1)其中，0 ，在直線航路和圓形航路上，21V2gp tan R垂直行路上的領(lǐng)航規(guī)則是c K herr K 4 err K herrdt ( 3)V g V 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(shí)間到達(dá) WP13。控制到達(dá) WP13 的時(shí)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。空 速指令 V cref 是額定空速 V AN 和飛機(jī)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(jī)的實(shí)際位置和目標(biāo)位

9、置間的距離。當(dāng) S>0 時(shí)，表示飛機(jī)在目標(biāo)位置的前面 3 。在 RNAV 中，從 WP8 到 WP13 的時(shí)間是事先計(jì)算好的。這個(gè)時(shí)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(gè)空速，飛機(jī)必 須嚴(yán)格的按照給定的空速飛行。考慮到風(fēng)速，飛機(jī)下一個(gè)目標(biāo)位置每10sec就要重新計(jì)算， 計(jì)算時(shí)以最新的風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)榛鶞?zhǔn)。 實(shí)時(shí)風(fēng)速計(jì)算確保了飛機(jī)以規(guī)定 的時(shí)間到達(dá)每一個(gè)航路點(diǎn)。為了安全和其他操作的需要，空速指令V cref 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?？账俚淖畲笾岛妥钚≈悼砂凑?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 ( vs

10、() 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() 。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() ，min(463，VP()，1.8 vs() km/h。其 中為襟翼偏度 4 。5.3 到達(dá)時(shí)間的計(jì)算下面將會舉例說明如何從當(dāng)前位置估算到達(dá)一個(gè)指定航路點(diǎn)的時(shí)間ids i GN ( S

11、i )ti表示從WPi到WPi 1的時(shí)間，t i0d。那么J1 t i t Jjit j ，其中 i J 。如圖所示假設(shè)WP10 為最終的航路點(diǎn)，910j4即關(guān)鍵航路點(diǎn)，飛機(jī)到達(dá) WP4 的時(shí)間為 t4 t6 在我國實(shí)施區(qū)域?qū)Ш降目尚行苑治鰠^(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剑?我國可以此為鑒。 目 前國內(nèi) 80%以上的航空器的機(jī)載設(shè)備都滿足區(qū)域?qū)Ш降囊螅?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(shí)現(xiàn) 4D-RNAV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(gè)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 AmesR esearch Center A FLIGHT INVESTIGATION OF A 4D AREA NAVIGAT