概述
导航是飞行的基础能力。航空器如何从A点飞到B点，取决于所使用的导航方式。传统导航依赖地面导航台，航路必须"台到台"地串联；而PBN（基于性能的导航）则摆脱了对单一导航台的依赖，允许航空器在任意两点之间沿最优路径飞行。
本文先介绍传统导航的基本原理和定位方法，再引入PBN的概念及其主要规范。
传统导航
基本原理
在传统导航体系下，航路由一个个地面导航台串联而成。航空器的每一段航路，都必须以某个导航台作为参考——要么朝向导航台飞行（入航，Inbound），要么背离导航台飞行（出航，Outbound）。
这意味着：
- 航路的设计受限于导航台的地理位置
- 航路不能随意弯曲，必须在导航台上空转弯，或转向导航台
- 导航台之间的连线就是航路，航路点就是导航台本身
这种"台到台"的飞行方式，是传统导航最核心的特征。
地面导航设施
传统导航主要依赖三类地面导航设施：NDB（提供方位）、VOR（提供方位）和 DME（提供距离）。
NDB（无方向信标，Non-Directional Beacon）
NDB 是最早期的航空导航设施之一，向四周发射无方向性的中波/长波信号。航空器上的 ADF（自动定向仪） 接收该信号后，指示出导航台相对于航空器机头的方向（相对方位角）。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 工作频率 | 190–1750 kHz（中波/长波），北美常用 190–535 kHz |
| 信号特征 | 无方向性，全向发射 |
| 机载设备 | ADF（Automatic Direction Finder） |
| 提供信息 | 导航台相对于航空器的方位（θ） |
| 精度 | 较低，易受雷暴、地形、夜间效应干扰 |
| 作用距离 | 通常 50–200 NM，视功率而定 |
VOR（甚高频全向信标，VHF Omnidirectional Range）
VOR 是传统导航的主力设施，发射甚高频信号，航空器可以直接读出自身相对于导航台的磁方位角（径向线，Radial）。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 工作频率 | 108.0–117.95 MHz（VHF） |
| 信号特征 | 全向发射，但可识别360条径向线 |
| 机载设备 | VOR接收机 / HSI |
| 提供信息 | 航空器所在的径向线方位（θ） |
| 精度 | 较高，不易受天气干扰 |
| 作用距离 | 通常 25–130 NM，视VOR类型和飞行高度而定 |
VOR 常与 DME（测距仪） 配合使用，组成 VOR/DME 台，同时提供方位和距离信息。
VOR 与 NDB 的区别与联系
| 对比项 | NDB | VOR |
|---|---|---|
| 频段 | 中波/长波（190–1750 kHz） | 甚高频（VHF） |
| 提供信息 | 相对方位角 | 磁方位径向线 |
| 精度 | 较低 | 较高 |
| 抗干扰能力 | 弱（受天气、地形影响大） | 强（VHF传播稳定） |
| 覆盖范围 | 可超视距传播 | 受限于视距传播 |
| 使用趋势 | 逐步淘汰 | 仍在广泛使用，但逐步被GNSS替代 |
| 共同点 | 都是地面导航台，都提供方位信息（θ），都用于传统"台到台"导航 |
两者的本质联系在于：它们都是提供角度信息（θ）的地面导航设施，航空器通过它们确定自身相对于导航台的方位。
DME（测距仪，Distance Measuring Equipment）
DME 是传统导航中唯一提供距离信息（ρ） 的地面设备。航空器向DME台发射询问脉冲，DME台收到后回复应答脉冲，机载设备根据信号往返时间计算出航空器与DME台之间的距离。
需要特别注意的是，DME 测量的是斜距（Slant Range），即航空器与地面DME台之间的空间直线距离，而非航空器在地面上的投影到DME台的水平距离。由于航空器有飞行高度，斜距始终大于或等于实际地面距离。当航空器飞行高度较高且距离DME台较近时，斜距与地面距离的差异会非常显著——极端情况下，航空器正好飞越DME台上空时，斜距读数等于飞行高度而非零。
✈ 航空器
/|
斜距/ |
(ρ)/ | 飞行高度 (h)
/ |
/ |
/_____|
DME台 地面距离 (d)
斜距 ρ = √(d² + h²)，始终 ≥ 地面距离 d
经验法则：当地面距离大于飞行高度的3倍以上时，斜距误差可忽略不计。例如巡航高度 FL360（约6 NM高）时，距DME台 18 NM 以外斜距误差已很小。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 工作频率 | 960–1215 MHz（UHF） |
| 信号特征 | 应答式（航空器询问，地面应答） |
| 机载设备 | DME询问机 |
| 提供信息 | 航空器到导航台的斜距（ρ），单位NM |
| 精度 | 较高，误差通常 ±0.5 NM 或 3%斜距（取大值） |
| 关键注意 | 测量的是斜距而非地面距离，近台高空时两者差异显著 |
DME 通常不单独建台，而是与 VOR 或 ILS 配合部署：
| 组合形式 | 说明 |
|---|---|
| VOR/DME | 最常见的组合，同时提供方位（θ）和距离（ρ），可独立完成 ρ-θ 定位 |
| ILS/DME | DME与仪表着陆系统配合，在精密进近中提供距离信息 |
| 独立DME | 较少见，主要用于 ρ-ρ 定位或作为RNAV的测距源 |
DME 是传统导航中距离信息的核心来源。没有DME，航空器只能获得方位信息，无法进行 ρ-θ 或 ρ-ρ 定位。
三种设施对比
| 对比项 | NDB | VOR | DME |
|---|---|---|---|
| 提供信息 | 方位（θ） | 方位（θ） | 距离（ρ） |
| 频段 | 中波/长波（190–1750 kHz） | VHF | UHF |
| 精度 | 较低 | 较高 | 较高 |
| 抗干扰能力 | 弱 | 强 | 强 |
| 覆盖特性 | 可超视距 | 视距传播 | 视距传播 |
| 是否独立建台 | 是 | 是 | 通常与VOR/ILS组合 |
| 使用趋势 | 逐步淘汰 | 逐步被GNSS替代 | 仍广泛使用，DME/DME是RNAV的重要测距源 |
定位方法
传统导航中，航空器利用导航台提供的角度（θ） 和距离（ρ） 信息进行定位。根据使用的信息类型不同，有以下三种经典定位方法：
ρ-θ 定位（距离-方位定位）
利用同一个导航台提供的距离和方位信息确定位置。
- 需要：1个 VOR/DME 台（或 NDB + DME）
- 原理：方位线（θ）确定航空器在哪条径向线上，距离（ρ）确定航空器在该径向线上的具体位置
- 结果：两条线（一条径向线 + 一个距离圆弧）的交点即为航空器位置
这是最常用的定位方式。一个 VOR/DME 台即可独立完成定位。
ρ-ρ 定位（距离-距离定位）
利用两个不同DME台的距离信息确定位置。
- 需要：2个 DME 台
- 原理：以每个DME台为圆心、测得距离为半径画圆，两圆的交点即为航空器位置
- 注意：两圆可能有两个交点，需结合航空器大致位置或其他信息消除模糊
θ-θ 定位（方位-方位定位）
利用两个不同导航台的方位信息确定位置。
- 需要：2个 VOR 台（或 NDB 台）
- 原理：从两个导航台各引出一条方位线，两条方位线的交点即为航空器位置
- 注意：两条方位线的夹角不宜过小或过大（理想范围 30°–150°），否则定位精度下降
定位方法对比
| 方法 | 所需设施 | 所需信息 | 优点 | 局限 |
|---|---|---|---|---|
| ρ-θ | 1个VOR/DME | 方位 + 距离 | 单台即可定位，使用最广泛 | 需要VOR/DME组合台 |
| ρ-ρ | 2个DME | 距离 + 距离 | 不依赖方位信息 | 需要两个DME台，可能有模糊点 |
| θ-θ | 2个VOR或NDB | 方位 + 方位 | 不需要DME | 需要两个导航台，精度受交叉角影响 |
PBN（基于性能的导航）
什么是PBN
PBN（Performance Based Navigation，基于性能的导航） 是ICAO提出的一套导航规范框架。它的核心思想是：不再规定航空器必须使用哪种导航设备，而是规定航空器必须达到怎样的导航性能。
简单来说：
- 传统导航问的是：“你装了什么设备？”
- PBN问的是：“你能飞多准？”
PBN由两个核心要素组成：
| 要素 | 说明 |
|---|---|
| 区域导航（RNAV） | 航空器不必沿导航台飞行，可在导航信号覆盖范围内沿任意路径飞行 |
| 所需导航性能（RNP） | 在RNAV基础上增加了机载性能监视与告警能力 |
PBN 与传统导航的区别
| 对比项 | 传统导航 | PBN |
|---|---|---|
| 航路设计 | 受限于导航台位置，“台到台” | 自由设计，不受导航台位置约束 |
| 导航依据 | 指定具体导航设备（VOR、NDB等） | 指定导航性能要求（精度值） |
| 航路效率 | 航路弯曲，里程较长 | 航路更直，里程更短 |
| 空域容量 | 航路间距大，容量有限 | 航路间距可缩小，容量提升 |
| 进近能力 | 受限于导航台位置和地形 | 可设计弯曲进近，适应复杂地形 |
| 设备要求 | 特定地面导航台 | GNSS（如GPS）为主，可多源融合 |
PBN 的优势
- 航路更短：不必绕行导航台，节省燃油和时间
- 空域容量更大：航路间距可缩小，同一空域可容纳更多航路
- 进近更灵活：可设计弯曲进近路径，适应山区、噪声敏感区等复杂环境
- 减少地面设施依赖：逐步减少对VOR/NDB台的维护需求，降低成本
- 标准化：全球统一的性能要求，简化国际运行
PBN 导航规范
PBN框架下包含多种导航规范，适用于不同的飞行阶段和精度要求。
RNAV（区域导航）
RNAV 是PBN的基础。它允许航空器在导航信号覆盖范围内，沿任意期望的航路飞行，而不必直飞导航台。
常见的RNAV规范：
| 规范 | 精度要求 | 适用阶段 |
|---|---|---|
| RNAV 10 | ±10 NM | 洋区/偏远地区航路 |
| RNAV 5 | ±5 NM | 大陆航路 |
| RNAV 2 | ±2 NM | 终端区（SID/STAR） |
| RNAV 1 | ±1 NM | 终端区（SID/STAR） |
精度要求的含义：例如 RNAV 5 表示航空器在95%的飞行时间内，横向偏差不超过 ±5 NM。
RNAV 不要求机载性能监视与告警功能。
RNP（所需导航性能）
RNP 在 RNAV 的基础上，增加了机载性能监视与告警（OPMA） 功能。这意味着：
- 航空器能够实时监控自身的导航精度
- 当导航精度无法满足要求时，系统会自动告警
这一特性使得RNP比RNAV更加可靠，可以支持更小的航路间距和更精密的进近程序。
常见的RNP规范：
| 规范 | 精度要求 | 适用阶段 |
|---|---|---|
| RNP 4 | ±4 NM | 洋区/偏远地区航路 |
| RNP 2 | ±2 NM | 大陆航路/终端区 |
| RNP 1 | ±1 NM | 终端区（SID/STAR） |
RNP APCH（RNP进近）
RNP APCH 是专门用于仪表进近阶段的RNP规范。它定义了不同进近阶段的精度要求：
| 进近阶段 | 精度要求 |
|---|---|
| 起始进近段（IAF→IF） | ±1 NM |
| 中间进近段（IF→FAF） | ±1 NM |
| 最后进近段（FAF→MAPt） | ±0.3 NM |
| 复飞段 | ±1 NM |
RNP APCH 支持多种最低标准：
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| LNAV | 仅横向引导，非精密进近，使用MDA |
| LNAV/VNAV | 横向 + 气压垂直引导，使用DA |
| LPV | 横向 + SBAS垂直引导，类似ILS精度，使用DA |
RNP APCH 是目前全球部署最广泛的PBN进近规范，几乎所有现代运输机都具备此能力。
RNP AR（RNP Authorization Required）
RNP AR 是精度要求最高、审批最严格的RNP规范。“AR"意为需要特殊授权——航空公司和机组必须经过专门的审批和训练才能执行RNP AR程序。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 精度要求 | 0.1–0.3 NM（可低至±0.1 NM） |
| 特殊能力 | 支持RF航段（Radius-to-Fix），即固定半径转弯 |
| 适用场景 | 复杂地形机场（如山区）、噪声敏感区域 |
| 审批要求 | 航空公司需获得运营人特殊批准，机组需专项训练 |
RNP AR 的核心优势在于 RF航段：航空器可以沿精确的圆弧路径转弯，而不是传统的"飞越转弯”。这使得进近路径可以精确地绕过障碍物，在传统导航无法建立进近程序的机场实现精密进近。
典型案例：中国西部许多高原/山区机场（如林芝、九寨等）依赖RNP AR程序运行，因为传统导航设施无法满足复杂地形下的安全进近需求。
导航规范总览
| 规范 | 精度 | 监视与告警 | 适用阶段 | 特殊要求 |
|---|---|---|---|---|
| RNAV 10 | ±10 NM | 不要求 | 洋区航路 | — |
| RNAV 5 | ±5 NM | 不要求 | 大陆航路 | — |
| RNAV 2 | ±2 NM | 不要求 | 终端区 | — |
| RNAV 1 | ±1 NM | 不要求 | 终端区 | — |
| RNP 4 | ±4 NM | 要求 | 洋区航路 | OPMA |
| RNP 2 | ±2 NM | 要求 | 航路/终端区 | OPMA |
| RNP 1 | ±1 NM | 要求 | 终端区 | OPMA |
| RNP APCH | ±0.3 NM（最后段） | 要求 | 仪表进近 | OPMA |
| RNP AR | 0.1–0.3 NM | 要求 | 仪表进近 | OPMA + RF航段 + 特殊授权 |
面向未来：卫星导航增强系统
PBN 的发展离不开卫星导航（GNSS）的支撑，而 GNSS 本身也在持续演进。为了进一步提升卫星导航的精度和完好性，国际民航界正在推广多种增强系统，它们代表着导航技术的未来方向。
ABAS（机载增强系统）
ABAS（Aircraft Based Augmentation System） 是最基础的增强方式，完全依靠机载设备实现。
- 核心功能：RAIM（接收机自主完好性监测）——机载GPS接收机通过对比多颗卫星的信号，自主检测是否有卫星故障
- 不需要额外的地面或卫星基础设施
- 是目前大多数 RNAV 和 RNP 运行的基本完好性保障手段
RAIM 需要至少接收5颗卫星信号才能进行故障检测，6颗才能进行故障排除。因此在卫星几何构型不佳时，RAIM可能不可用。
SBAS（星基增强系统）
SBAS（Satellite Based Augmentation System） 通过地球静止轨道卫星向用户广播差分修正信息和完好性信息，覆盖范围广，适合大面积区域增强。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 工作原理 | 地面监测站网络采集GPS误差数据 → 主控站计算修正量 → 通过GEO卫星广播给用户 |
| 精度提升 | 水平精度可达1–2米级，垂直精度可达2–4米级 |
| 覆盖范围 | 大陆/区域级覆盖 |
| 典型应用 | 支持 RNP APCH 的 LPV 最低标准，提供类似ILS CAT I的垂直引导 |
全球主要的SBAS系统：
| 系统 | 运营方 | 覆盖区域 |
|---|---|---|
| WAAS | 美国FAA | 北美 |
| EGNOS | 欧盟/ESA | 欧洲 |
| MSAS | 日本 | 日本及周边 |
| GAGAN | 印度 | 印度及周边 |
| BDSBAS | 中国 | 中国及周边（建设中） |
中国的 BDSBAS（北斗星基增强系统） 基于北斗三号系统建设，目前正在推进适航认证和民航应用。未来将为中国及周边地区提供SBAS服务，支持LPV进近。
GBAS（地基增强系统）
GBAS（Ground Based Augmentation System） 在机场附近部署地面参考站，通过VHF数据广播向进近中的航空器提供高精度差分修正，是精密进近领域ILS的潜在替代者。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 工作原理 | 机场地面参考站（通常2–4个）接收GPS信号 → 计算本地差分修正量 → 通过VDB（VHF Data Broadcast）发送给进近航空器 |
| 精度提升 | 水平和垂直精度均可达亚米级 |
| 覆盖范围 | 机场周边约 23 NM |
| 典型应用 | GLS进近（GBAS Landing System），目标替代ILS |
GBAS 的服务等级：
| 等级 | 对应能力 | 状态 |
|---|---|---|
| GAST-C | 相当于 CAT I 精密进近 | 已投入运行（部分机场） |
| GAST-D | 相当于 CAT II/III 精密进近 | 标准已发布，逐步部署中 |
GBAS 相比 ILS 的优势：
- 一套GBAS设备可服务机场所有跑道方向，而ILS需要每条跑道每个方向各装一套
- 不存在ILS的敏感区/临界区问题，不会因为地面车辆或航空器滑行而影响信号
- 支持弯曲进近路径，可优化噪声和障碍物规避
- 维护成本更低，地面设备更少
目前全球已有多个机场部署了GBAS CAT I服务（如法兰克福、苏黎世、悉尼等）。中国也在天津、上海等地开展了GBAS试验验证。
增强系统对比
| 系统 | 增强来源 | 覆盖范围 | 精度级别 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|
| ABAS/RAIM | 机载 | 全球（取决于卫星可见性） | 一般 | RNAV/RNP运行的基本完好性 |
| SBAS | 卫星 | 大陆/区域 | 米级 | LPV进近，替代非精密进近 |
| GBAS | 地面 | 机场周边 | 亚米级 | GLS精密进近，替代ILS |
未来展望
导航技术的演进方向是清晰的：
- 多星座融合：GPS + 北斗 + GLONASS + Galileo 多系统联合使用，提升可用性和精度
- 双频多频接收：消除电离层误差，进一步提高定位精度
- SBAS广泛部署：LPV进近将逐步覆盖更多机场，减少对ILS的依赖
- GBAS替代ILS：在大型枢纽机场，GBAS有望逐步取代ILS成为主要精密进近手段
- 传统导航台精简：随着GNSS可靠性提升，VOR/DME台将逐步精简为最低运行网络（MOR），NDB将基本退役
对于管制员来说，这意味着未来将看到越来越多的RNAV/RNP航路和进近程序，传统的"台到台"航路将逐渐减少，而GLS进近等新型程序将逐步出现在进近图上。
小结
传统导航以地面导航台为核心，航路设计受限于导航台位置，定位依赖 ρ（距离）和 θ（方位）的组合。PBN 则将关注点从"用什么设备"转向"飞多准"，通过 RNAV 和 RNP 系列规范，实现了更灵活的航路设计、更高的空域利用率和更精密的进近能力。
对于管制员而言，理解PBN意味着理解现代航路和进近程序的设计逻辑——为什么航路可以不经过导航台，为什么RNP AR进近可以在山谷中转弯，为什么同一条跑道可以有多种不同精度的进近方式。