地基区域导航性能评估系统设计与应用

张明昊，朱国辉，郭平平（民航数据通信有限责任公司技术开发部，北京 100091）

地基区域导航性能评估系统设计与应用

张明昊，朱国辉，郭平平
（民航数据通信有限责任公司技术开发部，北京 100091）

地基区域导航是区域导航实施的重要组成部分，地基区域导航运行需要对导航设施覆盖范围及其精度的有效性进行评估，从而保证此导航方式下运行的有效性和安全性。介绍了地基区域导航系统的基本计算原理、网络结构布局、系统设计方式，以及系统的数据管理、导航性能分析评估、数据交换等方面的功能，并结合具体机场对应用案例进行了分析。从而给出了一种针对地基区域导航性能评估问题的解决方案。

区域导航；导航性能评估；信号覆盖；更新区；精度分析

在传统陆基导航方式下，飞机接收陆基导航设备发送的导航信号，沿地面导航台进行向背台飞行，飞机必须沿由地面导航台确定的折线飞行，延长了飞行时间和距离，增加了燃料消耗，降低了飞行效率。

为克服传统导航方式的限制，美国于上世纪70年代开始实施RNAV[1]。RNAV允许飞机在导航设备覆盖范围内或导航系统能力范围内沿任意想要的航路飞行。RNAV和RNP很大程度上实现了灵活飞行，在美国和欧洲应用已超过20年，取得了巨大的效益。

由传统航路向RNAV航路运行的过渡过程中，地基DME/DME导航[2]方式是实现区域导航运行平稳过渡的首选方案。根据国际民航组织要求，DME-DME区域导航运行要求航空器必须是在DME站点的覆盖范围之内且必须能同时接受至少2个DME台的输入，以保证系统运行连续性。因此对地基区域导航运行性能进行评估是保障地基区域导航顺利运行的重要手段。

美国FAA早在上世纪90年代，就已在其开发的RNAV航路评估系统——RNAV-Pro[3]中包含了详细的航路性能评估方面的内容。目前，该系统已经广泛应用于美国常规航路和区域导航航路（Q航路）的规划和建设工作当中，为其进行航路划设时的可行性分析和安全评估提供重要的决策依据。在欧洲的空管一体化进程中，也开发了一系列用于空域规划和安全评估的工具，其中也包含了航路保护区划设和安全性能评估等工具。这些工具，在欧洲一体化天空的应用演变过程中，发挥了非常大的作用。

目前，中国尚无科学、有效的工具评估DME/DME区域导航，现有覆盖系统只能根据地形和台站数据进行单台站传统导航覆盖计算，不具备DME/DME更新区覆盖、DME/DME精度评估、关键DME筛选能力。随着《中国民航PBN实施路线图》[4]的发布，北京首都、广州白云、深圳宝安、上海虹桥、上海浦东机场、天津滨海、乌鲁木齐地窝铺机场已实施RNAV 1区域导航运行，长沙机场、武汉机场等机场也将于2012年逐步推动RNAV 1运行，对于区域导航DME/DME覆盖评估提出了更高的要求。通过对DME/DME区域导航更新区信号覆盖范围和精度评估，并结合拟划设的航路和终端区飞行程序，可以有效地评估现有地面导航设备对运行的支持程度，并为导航设备布局优化和规划建设提出建议和意见。

为进一步加强地面导航设备业务管理，推动基于性能导航PBN工作的实施，科学有效评估拟实施航路和终端区DME/DME导航能力，开展区域导航地面设备评估和规划工作，提高空管区域导航地面设备运行管理和保障能力，指导导航设备规划、建设、评估、运行等各项工作，民航数据通信有限责任公司研发了“地基区域导航性能评估系统”，该系统可评估地面DME/DME设备覆盖、精度及其对航路航线、终端区飞行程序的支持能力，对地基导航设备规划等工作起到了辅助性作用。

本文对“地基区域导航性能评估系统”的系统结构、存储方式、功能及应用成果等方面进行介绍。

1 国外研究现状

目前美国在地基区域导航性能检查方面主要使用RNAV-Pro[3]工具进行标准化筛查，RNAV-Pro[3]是由FAA定制开发的一款多用途、标准化区域导航设计检查工具，其应用于评估RNAV和所需导航性能（RNP）航路的主要参数。这些参数包括TERPS标准筛查，可飞行状态筛查，DME/DME筛查，雷达探测范围筛查和通信覆盖筛查。其中，TERPS标准筛查可以检查终端和航路的环境是否满足8260.40B，8260.44A，8260.50 和8260.51A对地形和障碍评估的要求；可飞行状态筛查用于防止出现飞行器无法沿着设置的航路点飞行的情况；DME/DME覆盖筛查用于检查DME/DME台站的几何学有效性，以此来达到导航的准确性；雷达探测范围筛查和通信覆盖筛查用以检查雷达和通信设备信号的覆盖范围。

2 地基区域导航性能评估系统

系统以高精度矢量数字地图和现有通信导航监视信息管理系统数据为基础，依托空管ATM网络，综合运用计算机技术、网络技术、数据库技术，采用客户端/服务器和浏览器/服务器两种模式，可为民航局空管局及地区空管局提供全国范围内的DME/DME设备评估服务。系统具备地图管理、导航台站管理、航路航线评估、终端区评估、DME/DME覆盖精度分析等主要功能，如图1所示。

图1 RNAV-Pro评估系统Fig.1 RNAV-Pro evaluation system

2.1 地基区域导航性能评估原理

地基区域导航系统的性能主要依赖于DME/DME导航台站的更新区覆盖情况，DME/DME更新区的覆盖原理如图2所示。

图2 两个DME台站A与B的更新区Fig.2 Update area of DME A and DME B

A和B两个DME台站组成的更新区如图2阴影部分所示，更新区为两个DME台站覆盖重合的部分，覆盖重合区内任意点与两个DME台站之间的夹角需在30°～150°之间，并且距离任意台站3 n mile以内的范围不可用。

当系统评估范围内的更新区满足目标要求的覆盖水平时，即可认为系统理论上具备以地基区域导航方式运行的能力。

2.2 系统构架

系统采用民航局空管局、地区空管局两层构架结构[5]，如图3所示。数据库服务和Web服务器位于各机场，负责全国所有导航台站数据存储、收集、计算、发布功能，各地区空管局通过ATM专线以Web的形式访问服务器，开展DME/DME评估和规划工作。

图3 系统架构Fig.3 System architecture

系统主要以GIS平台为基础，通过GIS平台的空间运算和分析功能实现航路安全分析的业务逻辑。

在数据库使用方面，系统采用Oracle数据库和本地数据相结合的运行方式，地型数据和用户评估产生的结果数据存储在Oracle数据库中，空域数据存储在本地数据文件中。这样做的优势在于，把需要经常变动的空域数据从数据库中独立出来，可以方便地更新当前的空域结构。便于数据的更新与维护。

2.3 系统设计

系统在总体设计上采用层次化设计[5-6]的方式，实现了不同职责系统功能的分离，达到了系统组织结构松耦合的目的，如图4所示。

数据库层由Oracle数据和GIS数据访问模块组成，用以对整体系统提供数据库访问支持。

系统平台层由SuperMap相关的系统组件及Web系统服务组件组成，对系统空间分析运算及Web服务提供支撑。

业务逻辑层主要由自定义覆盖计算引擎、数据分析器、地图服务、数据对象、方案管理、报告输出、用户管理等模块组成，各模块之间以接口方式明确分工，业务逻辑层是系统中最重要的组成部分，在系统运作中起到纽带的作用。

展示层是系统对用户交互的平台，由于用户的特殊要求，本系统采取了窗体与Web两种形式的界面结构，适用于不同层次用户的使用。

2.4 系统功能

1）地图管理功能 构建一个空域模型生成平台。使用该平台，可以完成全国现行空域结构的二维虚拟再现。在该空域结构中，主要包括机场、航路航线、导航设施、航路点、障碍物、保护区、终端区边界等。用户可以对该空域模型进行基本的交互操作，如平移、缩放、查看和编缉空域对像的属性、添加和删除空域对像等。

图4 系统概要设计结构Fig.4 System design structure

2）终端区DME/DME更新区评估功能 系统能够实现用户指定的终端区特定高度层DME/DME更新区覆盖评估，为机场实施RANV前提供导航能力数据支持，也可为飞行程序划设提供依据。

3）航路DME/DME更新区评估 系统能够实现用户对于现有航路和预设航路DME/DME覆盖评估，并可以设定航路评估间隔、航路高度，系统以航路覆盖图和DME对列表的形式提供评估结果。

4）区域DME/DME更新区评估 系统能够实现用户指定的区域、管制区特定高度层DME/DME更新区覆盖评估，为地区用户评估本地区DME/DME覆盖，台站建设规划提供支持。

5）DME/DME更新区分析功能 本系统可以实现DME/DME更新区覆盖重数分析、可用的空域范围计算、导航台导航精度评估、关键DME分析、评估报表功能。

6）飞行程序导入及评估模块 本系统为用户提供导入预定义格式飞行程序的接口，以及实现飞行程序导航能力的评估。

2.5 评估应用

以系统的区域DME/DME更新区评估功能为依托，可以对机场周边运行地基区域导航进离场程序的情况进行规划评估。以沈阳桃仙机场为例，如图5所示，机场2 500 km2内3 000 m高度层的DME/DME覆盖现状多为不符合要求的深灰色区域，通过在机场周围补充6部DME导航台补盲后，预计有效覆盖面积将可以达到80%以上，图6为拟新增4个DME台站后的覆盖效果。

图5 沈阳3 000 m覆盖（现状）Fig.5 Coverage area of Shenyang at attitude of 3 000 m(current)

图6 沈阳3 000 m覆盖（规划后）Fig.6 Coverage area of Shenyang at attitude of 3 000 m(modified)

图7 东北DME/DME覆盖（现状）Fig.7 CoverageareaofnortheastChinaatattitudeof7200m(current)

类似的评估也可用于航路阶段，如图7所示为东北地区7 200 m高度层DME/DME覆盖现状，在哈尔滨东北方向仍有较大的盲区缺口，通过补充2部导航台站补盲后，伊春北侧航路的理论运行效果将有明显改善（图8为新增规划后DME台站后的覆盖效果）。

图8 东北DME/DME覆盖（规划后）Fig.8 Coverage area of northeast China at attitude of 7 200 m(modified)

3 结语

地基区域导航评估系统采用数据库与地理信息系统相结合的方式，以C/S与B/S系统优势互补的形式解决地基区域导航运行精度与性能评估问题，为地基区域导航运行提供保障。该系统能够为导航台站布局规划提供明确且量化的数据指标，且已部署于民航局空管局和各地区空管局，为通信导航监视部门制定决策规划，各地区空管局参考制定适合本地区的工作发展方案提供支持。

[1] 国际民航组织.Doc9613 AN/937，基于性能的导航手册[S].蒙特利尔:国际民航组织，2008.

[2]国际民航组织.Doc8168 OPS/611，空中航行服务程序航空器运行（第Ⅱ卷）目视和仪表飞行程序设计[S].蒙特利尔:国际民航组织，2006.

[3]美国联邦航空局.RNAV-Pro用户手册[G].俄克拉荷马市：美国联邦航空局，2007.

[4]中国民用航空局.中国民航基于性能的导航实施路线图[G].北京:中国民用航空局，2009.

[5]温 昱.软件架构设计[M].北京:电子工业出版社，2007.

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

（责任编辑：杨媛媛）

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">文章编号：16

1674－5590（2013）01－0005－04

2012-05-04；

2012-08-10

国家科技支撑计划（2011BAH24B08）

张明昊（1981—），男，内蒙古赤峰人，工程师，学士，研究方向为空域管理.