转自公众号“容定斋”，作者“伊壹”。
PBN知识小结（一）
PBN运行的前提是全球导航卫星系统GNSS。
2007年4月14日，我国成功发射了第一颗北斗卫星，标志着世界上第4个GNSS系统进入实质性的运作阶段，估计到2020年前美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统等4大GNSS系统将建成或完成现代化改造。
但是GNSS是有一定误差的（目前单GPS系统提供的定位精度是优于25米），对于飞机这种高精度高速度的运动物体，该定位精度并不能满足飞行导航的需求。为了保证飞行安全，民航飞机运行在精度、完好性和可用性等方面对卫星导航提出了更高的要求，因此利用GNSS增强系统作为RNP进近的主用导航设备，以提高精度、完好性、可用性和连续性，以满足RNP的进近要求。其中完好性对于RNP运行最为重要。
GNSS增强系统分为三类
地基增强系统（GBAS）
星基增强系统（SBAS）
机载增强系统（ABAS）
地基增强系统（GBAS）
GBAS由地面站、监控设备和机载设备组成。GBAS地面站包括四对参考接收机和天线、地面数据处理设备、甚高频数据广播（VDB）设备和VDB天线等。地面数据处理设备通过结合来自每个参考接收机的测量值产生可见卫星的差分校正值，同时，通过实时监测导航信号本身或者地面站的异常，形成卫星导航系统和本站自身的完好性信息，随后把FAS数据、校正值和完好性信息通过VDB播发给机载设备。通过这种方法能够提高飞机的定位精度和完好性。GBAS对应的是局域差分技术。利用GBAS作引导的进近程序称为GLS进近，属于精密进近，这类程序我在国内机场没见过，局方的《卫星着陆系统（ ＧＬＳ）运行批准指南》咨询通告中提到已在浦东试飞，并提供了GLS飞行程序样例，但是目前还没有投入正常使用。
在国外机场时常可以看到GLS程序，GBAS在美国定义为本地局域增强系统LAAS。
星基增强系统（SBAS）
SBAS是利用地球静止轨道上的卫星建立的地区性广域差分增强系统。目前全球的SBAS系统主要有：
1欧洲的同步卫星导航覆盖服务EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），覆盖欧洲大陆。
2.美国的DGPS(Differential GPS),美国雷声公司的广域增强系统WAAS（Wide Area Augmentation System），覆盖美洲大陆。
3.日本的多功能卫星增强系统MSAS（Multi-Functional Satellite Augmentation System），覆盖亚洲大陆。
4.印度的GPSGPS辅助型静地轨道增强导航GAGAN（GPS AidedGeo Augmented Navigation）。
5.俄罗斯的差分校正和监测系统SDCM（System for Differential Corrections and Monitoring）
6.尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。
其具有完全兼容的互操作性，特点是：
a.通过地球静止卫星GEO发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息；
b.通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据；
c.GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号。
这个系统本身并不存在，而是借由几个地球同步卫星的协助，将所有修正的数据整合在GPS或GLONASS的信号之中，这些修正数据从同步卫星以GPS频率向地球传送。SBAS是GPS的改善，提高了定位的精确度和可靠度。但其精度不如地基增强系统高，因此在RNP进近中属于APV（类精密进近）。通过星基增强系统提供垂直引导的进近方式称为LPV，此概念在美国应用较多。利用星基增强系统提供方位引导和垂直引导的进近方式在国内应该还没有应用。国内的北斗系统正在快速发展，应用星基增强系统提供飞行导航应该指日可待。
机载增强系统（ABAS）
ABAS主要是添加了自主完好性监视技术，这种技术没有差分增强，只是对完好性进行增强。RAIM（接收机自主完好性监视）技术有两个等级：
a.FD（Fault Detection）：故障检测，至少需要5颗卫星，以确定哪颗卫星故障；
b.FDE（Fault Detection and Exclusion）：故障检测与排除，需要6颗卫星以排除一颗故障卫星。
AAIM称为航空器自主完好性监控，跟RAIM的差别在于它增加了气压高度和惯导，可以降低1颗卫星的要求。FD从5颗降到4颗，FDE从6颗降到5颗。国内的RNP APCH运行多使用ABAS与垂直气压高度导航来实现，这也就是为什么需要再放行航班时提供RAIM值。
ABAS利用了气压高度系统（Baro-VNAV），所以对环境温度有一定要求，因此此类PBN程序航图上会有温度限制的标记。
高度支助方式 Baro-Aiding
GNSS系统在正常使用时，GNSS会存储ADIRS（大气数据惯性基准系统）所测得高度与GPS所测高度的差值。当导航所需卫星中有一颗不可用的时候，GNSS系统可以将地球模拟成一颗卫星，而地球这颗卫星应该提供的距离数据由飞机的气压高度仪器经过之前存储的与GPS差值的修正后加上地球半径而得到。也就是说地球这颗卫星的高度测量工作实际上是由飞机来完成的，计算和修正工作由真正的卫星来做，这样综合起来，使地球也可以成为一颗卫星。上文提到的AAIM与RAIM相比，其完成各项工作比RAIM需要的卫星数量少一颗，可能就是利用了Baro-Aiding原理，未经证实，纯属个人臆测。另外，从Baro-Aiding字面上来看，也是通过气压测量高度来为GNSS定位提供帮助。
由此得知，GBAS和SBAS具备增强GNSS定位精度的功能，而ABAS不具备增强定位精度的功能，只具备增强完整性的功能，即只能对定位所需设备完整性进行监控。
名词解释：差分技术
目前单GPS系统提供的定位精度是优于25米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。
PBN知识小结（二）
GNSS定位基本原理
GNSS系统定位原理主要是靠卫星测距，其方法有两种：伪距测距和载波相位测距。飞机定位属于单点定位，只能使用伪距测距。伪距测距是利用卫星信号发出和接收的时间差来计算距离。由于卫星是在高速运动的，所以这里所测得的距离实际上是飞机与卫星后方某个位置之间的距离，而不是实际与卫星的距离。
RAIM的预测与监控
RAIM是机载接收机的一种功能，它的作用是监控GNSS卫星的可靠性。只有接收机能够接收到5颗卫星的正确信号时，RAIM才能够工作。RAIM功能的输出是对GPS位置误差的估值，并且会将此值输送给FMC。ANP是FMC根据RAIM、更新方法以及其他因素所计算出来的供机组监控的一个值，如果ANP值超过RNP值，则此次PBN运行不能执行。
签派关注的是RAIM功能是否可用，而不是其输出的值。但是不同RNP精度所对应的RAIM可用情况是不同的。例如RNP 0.3的RAIM可用时，RNP 0.15的RAIM可能不可用。
对机组而言，在实施飞行时，RAIM功能会提供GPS位置误差的信息并经过FMC处理后得到ANP值，机组要监控ANP值与RNP值的偏差。
对签派而言，在放行航班时，需要保证RAIM功能在机组预计使用PBN程序实施进近时可用，因此签派更关注RAIM功能预计的可用时间段。
以下为GE网站上发布的A319机型在九寨机场RAIM功能可用时段：
RAIM空洞
在同一时间，某一区域内，机载接收机无法同时接收到五颗卫星发送的信号时，此时RAIM功能是不可用的，此时该区域被称之为RAIM空洞。造成RAIM空洞的原因有三：
1.星历
以GPS为例，GPS有21颗正常工作的卫星，3颗备用卫星。理论上来说，随着卫星的运行，在某一时间在地球上的某个区域可能无法同时收到5颗卫星的信号。
2.MASK ANGLE
在接收机定位时，位置过低，距天地线过近的卫星容易受到电离层和地形的干扰，造成定位误差。所以系统会自动设置一个角度，低于这个角度，卫星则被视为不可靠。遮蔽高度角越大，视作不可靠的卫星就越多，出现RAIM空洞的概率也就越大。
3.卫星故障通告
如果卫星主控站发现某颗GNSS卫星出现故障，会对外发出卫星故障通报。可用卫星数量减少也会增大RAIM空洞出现的概率。
Critical DME
在FAA中，Critical DME是这么定义的：
原文地址：
http://www.faa.gov/air_traffic/flight_info/aeronav/criticaldme/
A critical Distance Measuring Equipment (DME) is a DME facility that, when notavailable, results in navigation service which is not sufficient forDME/DME/IRU operations along all or portions of a specific route or procedure.The required performance assumes an aircraft's RNAV system meets the minimumstandard (baseline) for DME/DME RNAV systems found in AC 90-100A, appendix 1,or the minimum standard for DME/DME/IRU systems found in AC90-100A, appendix 2.For example, terminal RNAV DPs and STARs may be published with only two (2)DMEs, in which case, both are critical.
If any critical DME facilities exist on an RNAV DP or STAR, they are identifiedon the relevant chart. NOTAMs should be checked to verify the operation ofcritical DMEs for navigation relying on DME. Pilots should assess theircapability to navigate (potentially to an alternate destination) in case offailure of critical DME while airborne. The critical DME list is updated ascharts are published. This list is searchable to determine which facilities arecritical for portions or all of a procedure and/or route.
在google里关于DME GAP的说法是这样的：
DME Gap is the distance where you wonthave any signal coverage from the navaids the procedure is based upon. If youhave any other equipment onboard, i.e. GPS/GPS you can still fly the procedureaccurate.
Critical DME has to do with your RNAV Capabilities and availability for theSTAR/SID. Japan has not quite embraced pure GPS navagation so for RNAV aircraftyou must also have ground based navaids for backup position recognition. So. Toanswer your question Lets go though the chart. Lets take the Celes Rnav Arrivalto RWY 34.
In this case the box on the lower left hand corner (if using Jepps) shows theCritical DME. Let's take the Kajiki VOR for example. it has a DME Gap of 12.5NM, so basically if the KGE VOR is inop, somewhere in this arrival there wouldbe a 12.5nm gap in coverage of the ground based navaids to calculate DME/DMEfor your RNAV equipment. Obviously this is probably not a problem because mosttransport catagory aircraft use a FMS that has GPS/GPS or GPS/DME calculationsso you're navigation performance is not degraded significantly. Most operatorsin Japan have a DME Gap limit for each type of aircraft flown. My aircraft forexample has a max DME Gap of 14.0 nm, so if the KGE VOR (which is mostrestrictive) is INOP I am still ok to fly this arrival.
RNAV运行不是一定需要借助GNSS系统，它完全可以利用地基导航系统进行定位并完成RNAV运行。
所以在PBN运行中，如果GNSS数据不可用，飞机还可以依赖其他传感器或导航设备进行定位，从而完成PBN运行。在RNAV1和RNAV2中，飞机可以依靠DME/DME/IRU方式实现定位。此时机组必须确认关键DME台工作正常。RNAV1经常用于进离场程序，在杰普逊航图中的进离场图中，会经常用一个表格列出Critical DME和DME GAP。如下图：
关于DME GAP的产生原理，根据《在航路和终端区实施RNAV1和RNAV2的运行指南》中“附件1 DME/DME RNAV系统的最低（基准）性能标准”的规定：
由此可知，只有飞机位于DME的以上规定范围内时，该DME才能被视为有效DME。这不难理解，DME所测距离为斜距，因此越靠近DME上方，由于航空器和DME的高度差的影响，其所测距离越不准确。
但要说明另外一种情况，在进近着陆的时候，DME不可用的范围要比上述规定的范围要小很多，因为此时即将着陆的航空器与DME的高度差值很小，所以其所提供的斜距仍具有较高的精确度。
PBN知识小结（三）----WAAS
在之前的文章PBN知识小结（一）中提到过，WAAS（Wide Area Augmentation System）即广域增强系统，是星基增强系统（SBAS）的一种，是为了提高飞机的飞行定位精度由美国联邦航空局（FAA）及美国交通部开发的一套GPS配套辅助系统，用来提高GPS定位的精度。也可以说，美国的SBAS就是指WAAS。
虽然目前SBAS在国内还没有应用，但我国也在论证和筹备北斗SBAS的建设。根据我国代表团在2015年4月1日至3日欧空局（ESA）组织召开的第28届兼容互操作工作组（IWG）会议发言，北斗SBAS将向中国及其周边地区提供单频星基增强服务和双频多星座星基增强服务，预期的服务等级为能够达到I类精密进近。
未雨绸缪，让我们先看看WAAS在美国是如何应用的。
概述
WAAS系统现由38个广域监测站（Wide-area Reference Station—WRS）、3个广域主控站（Wide-area Master Station—WMS）、3颗地球同步卫星（GEOstationary—GEO）、6个地面上行注入站（Ground Uplink Stations—GUS）、2个操作控制中心（Operational Control Center—OCC）以及陆地通信网络（Terrestrial communication Network—TCN）组成。
WAAS提升了GPS信号的精度、完整性、可用性和持续性，并且WAAS的静地卫星可以弥补一些GPS信号盲区。理论上WAAS可以实现从起飞到进近再到复飞的整个航段的导航。
WAAS的特点是能够在无需使用地面导航设备的情况下提供垂直引导，并且不会像baro-VNAV一样受到温度和气压的影响。但是WAAS也存在容量限制的问题，在位于WAAS覆盖范围边缘的一些机场，可能无法提供有效的WAAS垂直引导。
02
进近标准
WAAS主要应用于进近阶段，航图标识为RNAV(GPS)，可以提供LPV（Localizer Performance with Vertical Guidance）和LP（Localizer Performance without Vertical Guidance）两种飞行标准。
LPV标准：
LPV标准的进近是利用WAAS提供高精度的垂直引导和水平引导，类似于I类精密进近（ILS）。就像ILS进近一样，LPV具备垂直引导功能使飞机可以下降到决断高度（DA）之前。
LPV标准的进近还增加了角度引导，其精度随着飞机与跑道距离的缩小而提高，能够达到ILS进近时的精度。这样的设计是为了ILS进近时可以随时向向RNAV(GPS)中的LPV进近过渡。
LP标准：
LP标准的进近时利用WAAS提供水平引导，其精度随着飞机与跑道距离的缩小而提高，类似于航向道进近（localizer approach）。跟LPV不一样，LP进近使用的是最低下降高度（MDA），而非决断高度（DA）。
此外，公布了LP标准的航图中不会再包含像LNAV/VNAV或LPV这样有垂直引导的进近标准。因为就是由于地形、越障等原因导致无法实施垂直引导，所以才建立LP标准。只有当LP标准低于LNAV标准时，二者才会同时出现在一张航图上。
需要注意的是，LP并不是LPV的降级，在实施LP标准的进近时，可以使用垂直引导作为参考，但只有气压高度表的信息能作为有效依据。
LPV和LP属于RNP APCH标准，其运行要求和设备要求同RNP APCH一致，如下图：
03
航图识读
在RNAV(GPS)进近图上有专门的WAAS相关标识，其含义如下图所示：
①WAAS的频道号码，CH是channel的缩写，90120是频道号。
②WAAS的进近ID和RPI。RPI是reference path identifier的缩写，译为：参考路径识别码。W：WAAS；30:30号跑道；A：30号跑道的第一套WAAS进近程序，如果还有其他WAAS进近程序，则用B、C、D...表示。
③“W”标识意为FAA不提供WAAS的LNAV/VNAV或LPV垂直引导失效的通告，因为该WAAS垂直引导服务可能会由于信号覆盖不稳定的原因在短时间内频繁失效。使用该进近图时，合格证持有人的飞行计划中只能使用LNAV的飞行标准。如果在进近时机上设备表明LNAV/VNAV或LPV垂直引导可用，那么飞行员就可以使用垂直引导进近。
④LPV的最低着陆标准。
04
应急程序
虽说使用WAAS不依赖地面导航设备，但是如果GPS、WAAS或机载设备出现故障或无法提供服务时，则根据飞机所处的不同飞行阶段以及故障情况，需要采取相应的应急措施。FAA给出了不同情况下的应急程序。
（一）由于WAAS服务降级，导致LPV或LP标准不可用
1.当飞机飞越FAF之前：
>>发生服务降级后，LNAV或LNAV/VNAV仍然可用。
>>使用LNAV或LNAV/VNAV标准继续进近。
>>否则，需要选择地基导航设备提供的传统进近程序或者备降。
2.当飞机已经飞越FAF，告警可能导致只有LANV标准可用：
>>如果飞机位于MDA之上，则可以继续使用LNAV标准进近。
>>如果飞机低于要求的高度，且无法通过目视着陆，则需要立即复飞。
（二）无WAAS服务，该情况类似于无GPS增强设备
1.当飞机飞越FAF之前：
>>机上设备将通过FDE检测完整性。
>>如果没有水平引导告警或其他的完整性告警，则可以使用LNAV标准完成进近。
>>如果有水平引导告警或完整性告警，则飞行员应完成以下工作之一：
a.在油量允许的情况下，向ATC申请进入等待程序，直到告警消除。
b.向ATC申请使用可用的地基导航设备进近程序。
c.向ATC申请备降到其他机场。
2.当飞机已经飞越FAF，如果有水平引导告警或完整性告警，且无法通过目视着陆，则需立即复飞。
（三）GPS或是机载设备失效完全失效
当GPS服务或相关机载设备完全失效时，所有的RNAV(GPS)进近都将无法使用。在这种情况下，飞行员必须使用基于地面导航设备的仪表近进程序，例如VOR、NDB或ILS。
PBN运行相关缩略词汇总
PBN
Performance Based Navigation
基于性能导航
RNAV
Area Navigation
区域导航
RNP
Request Navigation Performance
所需导航性能
RNP APCH
RNP Approach
所需导航性能进近
RNP AR APCH
RNP Authorisation Required Approach
需授权的所需导航性能进近
RNP AR DEP
RNP Authorisation Required Departure
需授权的所需导航性能离场
TSE
Total System Error
系统总误差
FTE
Flight Technical Error
飞行技术误差
RF
Radius to Fix
固定转弯半径
SAAAR
Special Aircraft and Aircrew Authorization Required
需要特殊航空器和机组授权
LNAV
Longitude Navigation
水平导航
VNAV
Vertical Navigation
垂直导航
OPMA
On board Performance Monitoring and Alerting
机载性能监视和告警
GNSS
Global Navigation Satellite System
全球导航卫星系统，包括GPS,GLONASS以及其增强系统三部分。
GLONASS
Global Navigation Satellite System
俄罗斯的全球导航卫星系统
GPS
Global Positioning System
美国的全球定位系统
SBAS
Satellite Based Augmentation System
星基增强系统
GBAS
Ground Based Augmentation System
地基增强系统
ABAS
Aircraft Based Bugmentation System
机载增强系统，实际上其主要内容就是RAIM或AAIM。
RAIM
Receiver Autonomous Integrity Monitoring
接收机自主完整性监视
AAIM
Airplane Autonomous Integrity Monitoring
航空器自主完整性监视
NPA
Non-precision Approach
非精密进近
APV
Approach Procedures with Vertical Guidance
带有垂直引导的进近，或称为类精密进近。
PA
Precision Approach
精密进近
GLS
GBAS Landing System
地基增强着陆系统，基于地基增强系统的着陆系统，由GBAS提供水平导航和垂直导航，在国内目前使用较少，因地基增强系统精度较高，此类着陆属于精密进近。
Baro-VNAV
Barometric Vertical Navigation
垂直气压导航
GAGAN
GPS and GEO Augmented Navigation
地球同步轨道增强导航，这是印度的GPS辅助型静地轨道增强导航。
EGNOS
European Geostationary Navigation Overlay System
欧洲同步导航覆盖系统，属于星基增强系统。
MSAS
Multi-functional Satellite Augmentation System
日本的多功能卫星增强系统，属于星基增强系统。
DGPS
Differential Global Positioning System
差分全球定位系统，美国的GPS增强系统，属于星基增强系统。
WAAS
Wide Area Augmentation System
美国的广域增强系统，属于星基增强系统。
LAAS
Local Area Augmentation System
本地局域增强系统，美国相对于国际民航组织提出的GBAS后自己提出的地基增强系统。
GEO
Geosynchronous Earth Orbit
地球同步卫星
VEB
Vertical Error Budget
垂直误差裕度，RNP AR使用VEB设计最后进近程序。
LPV
Localizer Performance with Vertical Guidance
基于星基增强系统的进近。LP代表其有与ILS相同的航向引导系统，V代表其具有垂直引导系统。
在推进PBN运行的过程中，我国侧重于基于气压导航的垂直引导进近程序。而美国则编订了大量基于星基增强系统的APV运行程序，其优势有两点：1.垂直引导相较于气压垂直导航不受温度的影响。2.水平引导由星基增强系统提供方位引导，相较于GNSS的位置引导经过差分修正。
ABAS+BARO VNAV的水平引导仅是由GNSS提供方位信号，ABAS无法进行差分修正，因此其保护区与非精密进近，即ABAS-DME/VOR-DME/DME的保护区大小一样，而LPV的水平保护区则相对较小，不易受障碍物影响。
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