(完整版)RNAV中如何控制飞机沿4D轨迹飞行

1、RNAV 中如何控制飞机沿 4D 轨迹飞行引言随着经济的发展，航空运输的快速增长，航路变得拥挤、机场的飞行量越来 越大，传统的导航方法在处理繁忙机场、 航路拥挤方面已经有些力不从心。 传统 的导航是利用 NDB,VOR 和 DME 等一些无线电设备引导飞机飞向或飞越导航 台，使得航线的结构和导航方法束缚于导航台， 限制了飞行流量的增加同时也使 得航线过长延长了飞行时间增加了航空公司成本的消耗加大了环境的负担。 RANV 能够很好的解决这一问题。 RNAV 是一种导航方式， 是世界民航导航方式 发展的趋势，而基于 4D 轨迹的 4D-RNAV 是区域导航发展的最终形式。在无线电没应用前，早期的导

2、航方式是利用有颜色的烽火线来引导飞机达到 目的地。无线电的发明与其在航空领域的应用使得空中交通管制人员可以确定飞 机的高度和到达时间， 进而也诞生了管制这一行业。 二战中雷达的出现为空中交 通管制的发展提供了强大的技术支持。六十年代末自动控制技术被引入到航空 界，从此实现 4D 轨迹将不再仅仅是一个概念和设想。1 什么是 RNAV国际民航组织在国际民航公约附件 11 中对区域导航的定义是：在以台站为 基准的导航设备的覆盖范围内， 或在自备导航设备性能的限度内， 或在两者结合 的条件下，允许航空器在任何欲飞航径上运行的一种导航方法 1 。区域导航的实 施在航路上可以使飞机实现两地的直线飞行， 不

3、再飞向或飞越导航台， 终端进近 时可以达到准确、安全、快速的进近，减少了飞机起降的时间，提高了机场的流 量。实施区域导航可以灵活的设置飞行路线， 更加有效的利用空域解决复杂地形 的飞行程序设计； 可以增强飞行员的情景意识， 减轻管制员的工作负荷； 可以增 加航空公司的经济效益；还可以减少对环境的污染。2 什么是 4D-RNAV4D-RNAV是在平面 RNAV的基础上加入了高度参数和时间参数， 在已经实现了 RNAV 的 RNAV 航路上通过控制飞机达到各个设定航路点的时间来实现对飞机 飞行的控制。 4D-RNAV是导航方式的革命，只要确定了起飞时刻，飞机起飞到着 陆过程中的飞行状态是完全可以预

4、见的， 它彻底的实现了让飞机完全按照预想航线飞行的目标。3 什么是 4D 轨迹要了解4D轨迹，先要从3D轨迹说起。 3D 轨迹是对飞机飞行航路的精确描述， 航路上的每一点都对应着飞行所选坐标系的经度、 纬度和高度， 但是不包含时间 参数。4D 轨迹是在原来 3D 轨迹的基础上加入了时间参数。它是对飞机飞行航路 更精确的描述， 4D轨迹是一个连续的航线， 4D轨迹上的每一个点都对应着到达 该点的时刻。4 4D 轨迹和 4D-RNAV 的关系4D轨迹早在二战时期就已经提出，但当时的物质与技术条件尚不成熟，无 法实现精确的 4D轨迹。随着时代的进步，各种先进的通讯、导航和监视设备的 出现为实现精确的

5、 4D轨迹提供了强有力的技术支持。航空电子系统和机载设备 的发展也是日新月异。以前卫星导航是 GPS和 GNSS的天下，但是我国的北斗二 代卫星的发射成功 ?待续4D轨迹最早的实现是通过无线电通讯设备来实现，目前实现 4D轨迹的途径 有很多，根据我国现有的导航设施布局情况，基于 VOR/DME 和 DME/DME 的导 航是可以实现 RNAV 的。但要实现 4D-RNAV ，我国可利用的资源有 DME/DME 和北斗二代卫星系统。 4D-RNAV 是4D轨迹的理论基础， 4D-RNAV 也是实现 4D 轨迹的最佳方式， 而4D轨迹是4D-RNAV的实现。现阶段通过 4D-RNAV来完成对 4D

6、轨迹的实现是合乎逻辑发展的也是符合历史发展的。5 RNAV 中如何实现 4D 轨迹5.1 4D-RNAV系统中的时间参数4D-RNAV系统引入了一个非常重要的参数即时间参数。 4D轨迹中定义了一定 数量的航路点 , 轨迹中的每一个点都对应一个相应的到达时间。这些航路点可用 来检查飞机是否在规定的时间到达各航路点， 这样就可以确保飞机能在规定的时 间到达最后一个航路点。4D-RNAV中对到达时间的控制仅通过对飞机速度的控制来实现。多方面的实 验证明了风速和风向对控制飞机的速度有着重要的影响， 所以要通过机载的大气 数据计算机系统以最佳时间间隔测量风的各项数据。 根据获得的各项数据， 发出指令调控

7、飞机的速度，使飞机以指定的空速沿着 4D轨迹飞行。5.2 空速指令的生成区域导航在航路和终端区都有应用， 在终端区实施区域导航是本文讨论的重 点。图一是在终端区实施区域导航的进近路径图 3。进近领航于飞机到达 WP8时开始，与此同时到达时间的控制 4D 领航也开始 ( 如图 1) 。在 WP10之前一点，给出一个预先设定的转弯坡度指令，在 WP11之前 执行一个定常的垂直加速度操作以实现 5°的转弯坡度。 WP12到 13 的直线段航 路是 4D 领航规则的最后部分。为了确保航路的精度，剩下的航段除了由系统获 得外，应该遵守横向和纵向航路上的飞行规则。横向的领航规则是c=K1Yerr

8、 K 2Y1)其中，0 ，在直线航路和圆形航路上，21V2gp tan R垂直行路上的领航规则是c K herr K 4 err K herrdt ( 3)V g V g如上所述， 4D-RNAV 开始于 WP8，从这点，系统就尝试用给定的时间到达 WP13。控制到达 WP13 的时间仅基于速度的控制，速度控制通过控制作为空速 控制误差的功能减速来提供。在飞行控制模式中，空速指令显示在 EADI 上。空 速指令 V cref 是额定空速 V AN 和飞机位置误差 n 倍的代数和，这里 N=0.04。即：V cref V AN 0.04 S( 4)其中 S 是沿着航迹方向上飞机的实际位置和目标位

9、置间的距离。当 S>0 时，表示飞机在目标位置的前面 3 。在 RNAV 中，从 WP8 到 WP13 的时间是事先计算好的。这个时间的控制是 完全基于对飞机速度的控制，飞机一到达 WP8，系统就给定一个空速，飞机必 须严格的按照给定的空速飞行。考虑到风速，飞机下一个目标位置每10sec就要重新计算， 计算时以最新的风速和风向为基准。 实时风速计算确保了飞机以规定 的时间到达每一个航路点。为了安全和其他操作的需要，空速指令V cref 的取值范围限定在实现规定的最大值和最小值之间。空速的最大值和最小值可按照 FAA有关规定来确定。 民航运输飞机空中最小 飞行速度应不小于失速速度 ( vs

10、() 的 1.3 倍, 不小于起始抖动速度 ( vIB ( ) 的 1.2 倍；在 3，048 m 高度以下 , 速度不大于 463km/h, 不大于对应襟翼偏度的 标牌速度 (VP() 。而飞机能飞的最大允许速度通常比失速速度大 80%, 所以可 以 认 为 1.8 vs 为 飞 机 的 规 定 的 最 大 值 。 因 此 速 度 范 围 就 可 以 表 示 为:max(1.3 vs() ，1.2VIB() ，min(463，VP()，1.8 vs() km/h。其 中为襟翼偏度 4 。5.3 到达时间的计算下面将会举例说明如何从当前位置估算到达一个指定航路点的时间ids i GN ( S

11、i )ti表示从WPi到WPi 1的时间，t i0d。那么J1 t i t Jjit j ，其中 i J 。如图所示假设WP10 为最终的航路点，910j4即关键航路点，飞机到达 WP4 的时间为 t4 t6 在我国实施区域导航的可行性分析区域导航从提出到发展至今， 已经有了比较成熟的规范和标准。 美国和欧洲 有相当一部分机场已成功的实施了航路和终端的区域导航， 我国可以此为鉴。 目 前国内 80%以上的航空器的机载设备都满足区域导航的要求， 近期我国北斗二代 的发射成功及后续发展为我国实现 4D-RNAV提供了物质基础和技术支持。 这意味 着中国可以逐步实现自己的卫星定位系统，而不再受制于美国和欧洲国家的 GPS，从而实现用自己的卫星定位系统实现区域导航。当然这个目标的实现还需 要付出更多的努力。参考文献1 国际民用航空公约 . 附件 11. 空中交通服务 . 第十三版 . 2001 年 7 月2 张焕. 空中领航学 . 西南交通大学出版社 . 2003 年3 Frank Neuman,David N.Warner,and Francis J.Moran AmesR esearch Center A FLIGHT INVESTIGATION OF A 4D AREA NAVIGAT