ناوبری مبتنی بر عملکرد (PBN)

[1] بود به روش نوین ناوبری مبتنی بر عملکرد^[2] که به اختصار PBN نامیده شده را آغاز کرد. این نگرش در ناوبري براي کشورهایی که بخش اصلی ساختار ناوبري هوایی آن‌ها بر اساس دستگاه‌های رادیویی VHF است، چالشی بزرگ به شمار می‌رود.

ناوبری مبتنی بر عملکرد چیست؟

ناوبری مبتنی بر عملکرد یا PBN از سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) و سیستم‌های کامپیوتری برای ناوبری هوایی استفاده می‌کند. این روش ناوبری در تضاد با ناوبری حسگرهای قدیمی است که عمدتا بر اساس فرستنده‌های رادیویی عمل می‌کردند. در روش‌های سنتی هواپیما در مسیرهای مشخص و با استفاده از ایستگاه‌های کمک ناوبری رادیویی موجود در بین راه به سمت مقصد پرواز می‌کردند. از اینرو می‌توان گفت ناوبری سنتی یک روش ناوبری نسبی (وابسته) است و بنابراین هواپیما همیشه بر اساس کمک‌های ناوبری زمینی مانند سیستم‌های VOR و DME پرواز می‌کند. این در حالی است که ناوبری مبتنی بر عملکرد یک ناوبری مطلق (مستقل) است که در آن هواپیما ابتدا موقعیت کنونی خود را از نظر طول و عرض جغرافیایی تعیین کرده و سپس از این موقعیت برای تعیین مسیر پرواز کمک می‌گیرد. این روش نیازمندی‌های ناوبری هواپیما را از نظر دقت، صحت، یکپارچگی، تداوم، پیوستگی و همچنین قابلیت‌های مورد نیاز برای عملیات‌های پیشنهادی را برآورده می‌کند.

ناوبری مبتنی بر عملکرد از سه بخش اصلی زیرساخت‌های کمک ناوبری^[3]، مشخصات ناوبری^[4] و کاربردهای ناوبری^[5] تشکیل شده است. زیرساخت‌های کمک ناوبری PBN شامل مجموعه سیستم‌های زمینی و هوایی است که به عمل ناوبری هواپیما کمک می‌کنند. این زیرساخت‌ها شامل سیستم‌های کمک ناوبری سنتی نیز می‌شود. البته در این میان سامانه NDB که از عناصر مهم ناوبری قدیمی هواپیماها بود، برای استفاده در PBN حذف شده است.

منظور از مشخصات ناوبری در مفهوم PBN مجموعه ویژگی‌های فنی و عملیاتی است که علمکرد ناوبری و قابلیت‌های مورد نیاز سیستم RNAV را مشخص می‌کند. این بخش همچنین مشخص می‌کند که تجهیزات و زیرساخت‌های ناوبری برای برآورده‌سازی نیاز‌های آینده هوافضا باید چگونه عمل کنند. بخش مشخصات ناوبری شامل دو رویکرد ناوبری با عنوان ناوبری ناحیه‌ای (RNAV) و کارایی ناوبری مورد نیاز (RNP) است. تفاوت بین مشخصات ناوبری RNAV و RNP در وجود سیستم‌های نظارت و هشدار بر عملکرد در عملیات‌های RNP است که در عملیات RNAV وجود ندارد.

در اواخر سال 2013 سند راهنمای PBN با 11 مشخصات ناوبری منتشر شد که 4 مشخصه از آن متعلق به مشخصات RNAV و 7 مشخصه مربوط به RNP است. نمودار زیر نشان می‌دهد که هر یک از مشخصات ناوبری تعیین شده توسط ایکائو در کدام یک از مراحل پرواز مورد استفاده قرار گرفته و دارای چه دقتی هستند.

ﻣﺼﻮﺑﻪ‌ی ایکائو

ﻣﺠﻤﻊ ایکائو در اﮐﺘﺒﺮ 2010 ﻣﺼﻮﺑﻪ‌اي ﺑﻪ ﺷﻤﺎره A37-11 ﺗﺤﺖ ﻋﻨﻮان اﻫﺪاف ﺟﻬﺎﻧﯽ ﻧﺎوﺑﺮي مبتنی بر عملکرد را ﺗﺼﻮﯾﺐ کرد ﮐﻪ ﮔﺰﯾﺪه آن ﺑﻪ ﺷﺮح زﯾﺮ اﺳﺖ:

• ﻣﺠﻤﻊ ایکائو ﮐﺸﻮرﻫﺎ را ﺑﺮاي اﺟﺮاي سرویس‌های ترافیک هوایی ناوبری منطقه‌ای و کارایی ناوبری مورد نیاز و ﺣﺘﯽ دﺳﺘﻮراﻟﻌﻤل‌های ﺑﯿﺎن ﺷﺪه در ﺳﻨﺪ شماره 9613 طرح PBN ﺗﺮﻏﯿﺐ ﻣﯽ‌ﮐﻨﺪ.
•  ﻣﺠﻤﻊ ﻣﻘﺮر ﮐﺮده است ﮐﻪ ﮐﺸﻮرﻫﺎ ﻃﺮﺣﯽ را ﺑﺎ ﻗﯿﺪ ﻓﻮرﯾﺖ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﺑﺮﻧﺎﻣﻪ اﺟﺮاﯾﯽ PBN ﺗﺪوﯾﻦ کنند ﮐﻪ از ﺟﻤﻠﻪ اﻫﺪاف آن ﻣﻮارد زﯾﺮ ﺑﺎﺷﺪ:
  • اﺟﺮاي RNAV و RNP در ﻣﺴﯿﺮﻫﺎ و ﻓﻀﺎﻫﺎي ﺗﺮﻣﯿﻨﺎل اﻃﺮاف ﻓﺮودﮔﺎه‌ﻫﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس زﻣﺎن‌ﺑﻨﺪي مشخص شده
  • اﺟﺮاي دﺳﺘﻮراﻟﻌﻤﻞ ﺗﻘﺮب ﭘﺮواز ﺑﺎ ﻫﺪاﯾﺖ ﻋﻤﻮدي (APV)
  • اجرای دستورالعمل ناوبری عرضی (LNAV) برای فرودگاه‌هایی که تجهیزات کمکی ارتفاع‌سنج برای اجرای طرح APV را نداشته و ﭘﺮوازﻫﺎیي ﺑﺎ وزن ﺑﯿﺶ از 5700 ﮐﯿﻠﻮﮔﺮم را ﺳﺮوﯾﺲ‌دﻫﯽ ﻣﯽ‌ﮐﻨﻨﺪ.

مروری بر ناوبری مبتنی بر عملکرد و اهداف اجرای آن

همانطور که گفته شد ناوبری مبتنی بر عملکرد شامل دو مفهوم ناوبری ناحیه‌ای (RNAV) و کارایی ناوبری مورد نیاز (RNP) است که روش‌های ناوبری ناحیه را گسترش می‌دهند. با استفاده از RNAV هواپیما قادر به پرواز در هر مسیر پروازی دلخواه که توسط سیستم‌های کمک ناوبری زمینی یا فضایی پشتیبانی ‌‌می‌شود، خواهد بود. این امکان با استفاده از ترکیب اطلاعات تجهیزات ناوبری هواپیما فراهم می‌شود. این مفهوم برای RNP نیز صدق می‌کند، با این تفاوت که در آن قابلیت بررسی عملکرد سیستم‌های ناوبری درون هواپیما نیز وجود دارد و در صورتی که مشخصات ناوبری هواپیما از سطح مشخصی پایین‌تر باشد، این موضوع به اطلاع خدمه پرواز می‌رسد. این روش‌ها با هدف ایجاد مسیرهای مستقیم و حذف مسیرهای زیگزاگی سابق شکل گرفته‌اند.

در اصل این مفاهیم به بیان بهتر عملکرد ناوبری عرضی (افقی) تمرکز دارد. سازمان‌ها و مراکز قانون‌گذار بین‌المللی و محلی می‌کوشند تا با استفاده از این روش‌ها علاوه بر بهبود عملکرد ناوبری هواپیما، بتوانند ترافیک هوایی را نیز با دقت بالاتری کنترل کنند. شاید در نگاه اول انتشار و وضع قوانین جدید از این نوع باعث بروز مشکلاتی برای دارندگان هواپیما، شرکت‌های هواپیمایی و حتی برخی از سازمان‌های دولتی مجری زیرساخت‌های لازم باشد، اما در حقیقت هدف اصلی این طرح‌ها بهبود وضعیت فعلی و افزایش سطح ایمنی هوایی است.

سازمان بین المللی هوانوردی کشوری (ایکائو) اهداف اصلی اجرای طرح ناوبری مبتنی بر عملکرد را اینگونه بیان کرده است:

• تضمین ارتباط متقابل از طریق استاندارد­سازی عملکرد سیستم­های RNP و RNAV توسط مشخصات و قوانین توافق‌شده بین‌المللی
• محدود کردن توسعه مشخصات (خصوصیات) ناوبری در سراسر جهان

مشخصات ناوبری یک مشخصه عملیاتی و فنی است که عملکرد و قابلیت­های ناوبری مورد نیاز در سیستم RNAV را شناسایی و تعریف می­کند. این مشخصات همچنین تعیین می­کنند که چطور تجهیزات ناوبری در زیرساخت­های کمک ناوبری در حریم هوایی برای برآوردن نیازهای عملیاتی مشخص شده عمل کنند. به عبارت ساده­تر، هواپیما و خدمه پرواز برای ناوبری مبتنی بر عملکرد باید در برابر مشخصات ناوبری مورد نیاز حریم هوایی واجد شرایط باشند.

بنابر توافقات صورت گرفته در ایکائو، مقرر گردید یک استانداردسازی مناسب برای مشخصات ناوبری مورد نیاز هر منطقه متناسب با مراحل پرواز هواپیما تعیین شود. در اواخر سال 2013 راهنمای PBN با 11 مشخصات ناوبری منتشر شد که 4 مشخصه از آن متعلق به رویکرد RNAV و 7 مشخصه مربوط به رویکرد RNP است. در این میان رویکردهای رایج مشخصات ناوبری شامل RNAV 1/2 و RNP 0.3/1 است. شکل 1 خلاصه‌ای از عملیات­های اصلی RNAV و RNP که در سند استراتژی ایکائو آورده شده است را نشان می‌دهد.

همانطور که پیش از این گفته شد، راه حل­های مطرح شده در ناوبری و روند کار PBN برای برآوردن یک نیاز خاص باید با محیط عملیاتی و شرایط محیطی همخوانی داشته باشد تا عملیاتی صحیح و کارآمد انجام شود. در ادامه شرایط محیط­های عملیاتی پرواز به تفکیک شرح داده می­شود.

عملیات­های برخاستن و فرود[6]:

به طور پیش فرض روش PBN در محیط ترمینال برای عملیات برخاستن و همچنین فرود، رویکرد RNAV 1 است. اگر تراکم ترافیک یا دیگر محدودیت­های حریم هوایی نیاز به سطح بالایی از عملکرد داشته باشند، از RNP 1 برای این منظور استفاده خواهد شد.

عملیات نشستن[7]:

در محیط عملیاتی نشستن هواپیما، رویکرد پیش فرض RNAV(GPS) است. این در حالی است که توابع پیشرفته RNP قابلیت‌های بیشتری را نسبت به روش پیش فرض ارائه می­کنند. با توجه به شرایط جغرافیایی فرودگاه، وضعیت زیرساخت‌های کمک ناوبری و همچنین میزان ترافیک موجود در محل، ممکن است مشخصات ناوبری مورد نیاز برای نشستن هواپیما به دیگر روش‌های PBN تغییر کند.

عملیات پرواز در مسیر[8]:

این محیط عملیاتی ﻗﺴﻤﺘﯽ از ﭘﺮواز ﮐﻪ در ﻓﺎﺻﻠﻪ­ي30 ﻣﺎﯾﻠﯽ از ﻓﺮودﮔﺎه ﻣﺒﺪا ﯾﺎ ﻣﻘﺼﺪ اﺳﺖ را ﺷﺎﻣﻞ می­شود. نیازهای عملیاتی در این محیط به صورت پیش فرض با RNAV 2 برآورده می­شود، اما در حریم هوایی اقیانوس‌ها و فضاهای بدون نظارت به طور معمول رویکرد RNP کاربرد دارد.

مزایای اصلی اجرای PBN

اداره هوانوردی فدرال در حال حاضر از روش­های ناوبری مبتنی بر عملکرد در سیستم­های حریم هوایی ملی خود استفاده می­کند. امروزه این امکان برای هواپیماها وجود دارد که PBN را در طول همه پروازها به کار گیرند و بر خلاف گذشته که ناوبری بر اساس موقعیت فیزیکی زیر ساخت­های ناوبری زمینی بدست می‌آمد، به صورت آزاد و جدا از هر محدودیتی انجام شود. ناوبری مبتنی بر عملکرد مزایای قابل توجهی نسبت به روش سنتی ناوبری مبتنی بر حسگر که از ناوبری زمینی استفاده می­کردند، دارد. این روش در بهبود حریم هوایی، مسیرهای ATS و روش­های پرواز نقش مهمی را ایفا خواهد کرد.

مزایای اجرای این طرح می‌تواند از جنبه‌های مختلف مورد بررسی قرار گیرد. از دیدگاه فرودگاه‌ها، مزیت کاهش هزینه‌ها بیشترین اهمیت را دارد. با اجرایی شدن این طرح بسیاری از فرودگاه‌های کوچک و متوسط نیازی به تجهیز و استفاده از CAT I در سیستم ILS نخواهند داشت. این در حالی است که نصب، راه‌اندازی و نگهداری از تجهیزات ILS هزینه زیادی را به فرودگاه‌ها تحمیل می‌کند. همچنین از مزایای PBN نیز می­توان به ارائه مسیرهای خیلی مستقیم و کوتاه اشاره کرد که ظرفیت ورود به فرودگاه­ها را بهبود می­بخشد و بهره­وری کنترل­کننده را افزایش می­دهد.

از دیدگاه مراکز ارائه دهنده خدمات ناوبری هوایی مهم‌ترین مزیت PBN بهبود ایمنی از طریق کاهش حجم کاری پرسنل و پیچیدگی فرایندهاست که می‌تواند به بهبود ارائه خدمات نیز منجر شود. از دید شرکت‌های هواپیمایی نیز افزایش ایمنی بالاترین اهمیت را دارد. ترکیب RNAV و سیستم هدایت عمودی می‌تواند سطح ایمنی را در مرحله فرود هواپیما افزایش دهد.

از دید ملی می‌توان گفت افزایش ظرفیت حریم هوایی بالاترین اهمیت را خواهد داشت. با اجرای این طرح امکان کاهش فاصله بین هواپیماها در حین پرواز و کاهش فاصله زمانی برخاستن یا فرود هواپیماها فراهم خواهد شد. همچنین کاهش میزان آلودگی‌های زیست محیطی و نویز صوتی از طریق اصلاح مسیرهای پروازی از جمله مزایای دیگر این طرح محسوب می‌شود.

مزایای ناوبری مبتنی بر عملکرد با جزئیات بیشتر عبارتند از:

• عدم نیاز به حفظ مسیرها و روش­های خاص مبتنی بر حسگر و کاهش هزینه­های مرتبط با آن­ها
• عدم نیاز به توسعه عملیات­های مبتنی بر حسگر با تکامل در سیستم­های ناوبری و کاهش هزینه توسعه
• استفاده کارآمدتر از حریم هوایی (تعیین مسیر، بهره وری سوخت و کاهش سروصدا)
• تسهیل در روند عملیاتی آموزش برای اپراتورها با ارائه مجموعه ای محدود از مشخصات ناوبری در نظر گرفته شده در سطح جهانی

همچنین چارچوب PBN یک طراحی امن و بسیار کارآمد از حریم هوایی و فرآیندها در فضای ملی کشورها ایجاد می­کند. موارد زیر از جمله فعالیت­هایی است که در این چارچوب انجام می­شود.

• تفکیک ترافیک بین فرودگاه­ها، مسیرهای برخاست و فرود
• افزایش کارآمدی در توالی و فاصله بین پروازها
• امکان دسترسی ایمن به حریم‌های هوایی نزدیک به سطح زمین
• بهبود دسترسی به فرودگاه­ها در شرایط آب و هوایی ضعیف و خاص در عملیات­های هوانوردی عمومی (GA)
• کاهش ارتباطات صوتی کنترل‌کننده و خلبان با استفاده از پیام­های متن محور، دادن زمان بیشتر به کنترل‌کننده­ها برای برنامه‌ریزی و مدیریت موقعیت­های غیرعادی و غیرمنتظره
• برخاست و فرود ایمن هواپیما در صورت تلفیق با سیستم هدایت عمودی
• کاهش مسافت پرواز و مصرف سوخت با در نظر گرفتن روش‌های مستقیم پرواز و روش‌های بهینه کاهش ارتفاع
• بهبود قابلیت پیش‌بینی برای اطلاع بهتر به اپراتورهای خطوط هوایی به منظور برنامه‌ریزی و مدیریت گیت‌ها

پیاده‌سازی و هماهنگ‌سازی

یکی از چالش­ها در پیاده‌سازی و اجرای PBN نیاز به روزآمدکردن قوانین، دستورات و روش‌های عملیاتی استاندارد است. علاوه بر این بسیاری از روش­های پیاده­سازی بستگی به ایمنی و معیارهای خاص پرواز و ابزار­های خودکار مورد استفاده در توسعه روش‌ها دارد که این خود برای پاسخگویی دقیق به ایمنی، عملکرد و ارزیابی استانداردها لازم است. همچنین انطباق قوانین جدید با استانداردهای محیطی از اهمیت بالایی برخوردار است. می‌توان اینطور بیان کرد که روش ناوبری مبتنی بر عملکرد یک جزء اصلی در طرح­های بین‌المللی صنعت و ترافیک هوایی است.

بیش از 7000 روش پیاده‌سازی PBN از طریق بخش ابتکارات FAA در ایالت متحده ارائه و منتشر شده است. در حال حاضر برخی از فرودگاه‌های ایالات متحده مانند فرودگاه دنور از PBN-RNP برای اجرای فرایندهای نشست و برخاست موازی هواپیماها استفاده می‌کنند.

قوانین جدید در FAA به کنترل‌کننده‌های فرودگاه دنور این اجازه را می‌دهد تا از طریق رویکرد RNP (نارنجی رنگ) فرایند چرخش U شکل هواپیما را در فاصله کمتری از باند فرود نسبت به رویکردهای سنتی (آبی رنگ) مدیریت کنند.

اجرای طرح‌هایی مانند RNP بدون تجهیز هواپیما به برخی از سیستم‌های پیشرفته اویونیکی امکان‌پذیر نیست. در حال حاضر برخی از محصولات تولیدی شرکت‌های بوئینگ، ایرباس، بومباردیر و امبرائر دارای سیستم‌های مدیریت پرواز (FMS) مجهز به RNAV و RNP هستند. وجود بازار مناسب در این زمینه باعث شده است تا شرکت هانی­ول مدل­های مختلفی از FMS را که مجهز به PBN/RNAV/RNP هستند ارائه ­کند. نسل جدید سیستم‌های مدیریت پرواز شرکت هانی‌ول، قابلیت ناوبری RNP/RNAV را روی بوئینگ 748-747 اجرا کرده است. همچنین هانی‌ول این قابلیت را برای سیستم‌های مدیریت پرواز در بوئینگ 777 و 787 و همچنین ایرباس‌های A330 و A350 فراهم کرده است. جالب اینکه این هواپیماها به سیستم جدید مدیریت پرواز مجهز نشده‌اند، بلکه هانی­ول توابع RNAV/RNP را برای سیستم FMS نصب شده فراهم می­کند.

از دیگر فعالان این زمینه می‌توان به شرکت  IS&Sاشاره کرد که سیستم مدیریت پرواز با قابلیت RNP ارائه می‌دهد. آقای شهرام عسکرپور رئیس IS&S در این خصوص بیان می­کند: «ما اخیرا شاهد رشد درخواست برای خرید یک سیستم با قابلیت‌های مشترک RNP، LPV و ADS-B بوده‌ایم. از این‌رو سیاست شرکت ما طراحی و ساخت سیستم‌های مدیریت پروازی است که بتواند تمام این قابلیت‌ها را پشتیبانی کند. بازار هدف اصلی ما ساخت محصولاتی برای نصب و ارتقاء هواپیماهای موجود در ناوگان تجاری، نظامی و باری است.»

اینکه PBN و روش‌های مختلف آن در سراسر جهان مورد پذیرش قرار بگیرد، مستلزم تلاش مداوم صنعت اویونیک است. باید مزایای متعدد PBN از جمله افزایش ایمنی، کاهش مصرف سوخت و هزینه‌های عملیاتی هواپیما به ناوگان‌های هوایی کشورها نشان داده شود. از این‌رو ارائه یک نقشه‌راه برای پیاده­سازی روش­های PBN بسیار موثر خواهد بود.

 

[1] Sensor-based navigation

[2] Performance-based Navigation

[3] Navaid Infrastructure

[4] Navigation Specification

[5] Navigation Applications

[6] Departure/Arrival Operations

[7] Approach Operation

[8] En Route Operations