パフォーマンスベースのナビゲーション

ICAOの 性能基準航法（PBN）では、航空機に必要な航法性能（RNP）とエリア航法（RNAV）システムの性能要件は、適切な航法インフラストラクチャによってサポートされている場合、特定の空域での提案された運用に必要な精度、完全性、可用性、継続性、および機能性の観点から定義されることが規定されています。^[1]

歴史的に、航空機のナビゲーション仕様は、センサー（ナビゲーションビーコンやウェイポイント）に関して直接指定されてきました。機内ナビゲーション パフォーマンスの監視と警告に関する追加要件を含むナビゲーション仕様は、必須ナビゲーション パフォーマンス(RNP) 仕様と呼ばれます。このような要件がない仕様は、エリア ナビゲーション(RNAV) 仕様と呼ばれます。

性能要件はナビゲーション仕様で特定され、性能要件を満たすために使用できるナビゲーション センサーと機器の選択も特定されます。ナビゲーション仕様は、世界的な調和を促進するために具体的な実装ガイダンスを提供します。

PBN では、まず運用要件に基づいて一般的なナビゲーション要件が定義されます。次に、民間航空当局は利用可能なテクノロジーとナビゲーション サービスに関するオプションを評価します。選択されたソリューションは、運用要件の一部として確立されるソリューションとは対照的に、民間航空当局にとって最も費用対効果の高いものになります。RNAV または RNP システムによって必要なパフォーマンスが提供される限り、テクノロジーは時間の経過とともに進化しても、運用自体を再検討する必要はありません。

PBN は、空域および障害物のクリアランス基準を開発するセンサー固有の方法に比べて、次のような多くの利点があります。

1. センサー固有のルートと手順を維持する必要性と、そのコストを削減します。たとえば、VOR はルート、VORアプローチ、ミスト アプローチなどで使用できるため、1 つのVOR を移動すると、数十の手順に影響する可能性があります。新しいセンサー固有の手順を追加すると、このコストがさらに増大し、利用可能なナビゲーション システムが急速に増加することで、センサー固有のルートと手順はすぐに手が出せなくなるでしょう。
2. ナビゲーション システムが進化するたびに、コストがかかりすぎるセンサー固有の操作を開発する必要がなくなります。衛星ナビゲーション サービスの拡張は、さまざまな航空機の RNP および RNAV システムの継続的な多様性に貢献すると期待されています。元々の基本的な全地球航法衛星システム(GNSS) 機器は、衛星ベースの補強システム(SBAS)、地上ベースの補強システム(GBAS)、地上ベースの地域補強システム(GBAS) などの補強の開発により進化しており、ガリレオの導入と米国の全地球測位システム(GPS) およびロシアの全地球航法衛星システム(GLONASS) の近代化により、GNSS のパフォーマンスがさらに向上します。GNSS/慣性統合の使用も拡大しています。
3. 空域のより効率的な利用を可能にする（ルート配置、燃料効率、騒音緩和）。
4. RNAVシステムの使用方法を明確にする。
5. 世界中での使用を目的とした限定された一連のナビゲーション仕様を提供することで、民間航空当局の運用承認プロセスを容易にします。

空域内では、PBN 要件は、通信、監視、航空交通管制(ATC) 環境、航法支援インフラストラクチャ、および ATM アプリケーションを満たすために必要な機能と運用能力によって影響を受けます。PBN のパフォーマンス要件は、利用可能な復帰型非 RNAV ナビゲーション手段と、適切な運用継続性を確保するために必要な冗長性の程度によっても異なります。

RNAVとRNPによって部分的に実現される効率性と容量の向上を実現するために、FAAはデータ通信と強化された監視機能の利用を追求する。^[2]

エリアナビゲーションの技術と仕様は、ICAO の全体的なガイダンスなしに、地域ごとに進化し始めました。その結果、「RNAV」や「RNP」などの用語と定義は、世界のさまざまな地域でわずかに異なる意味を持ち、他の用語がローカルで使用されることさえありました。その一例は、ヨーロッパでまだ使用されている (2019 年)「P-RNAV」(Precision RNAV) という用語で、他の地域では「RNAV 1」と呼ばれています。

RNAV と RNP という用語は、以前は機能上ほとんど違いなく使用されていました。RNP では一定レベルのパフォーマンスが求められましたが、それをどのように保証するかについては定義されていませんでした。

パフォーマンス ベース ナビゲーション (PBN) は、用語、仕様、意味を標準化するための ICAO の取り組みです。一例として、APV (垂直誘導によるアプローチ) で使用される用語を標準化することが挙げられます。最近まで、すべての APV は RNAV アプローチとして指定されていましたが、PBN 実装に関しては、これらは実際には RNP アプローチです。すべての APV には機上でのパフォーマンス監視と警告が必要なため、システムは必要な精度までナビゲーションできるだけでなく、パフォーマンスを継続的に監視し、パフォーマンスが要求されるレベルを下回った場合にパイロットに警告できる必要があります。

これらのアプローチには、チャート上で紛らわしい名前や表記があったため、現在、すべての加盟国で変更が行われています。2種類のRNAVアプローチは、従来それぞれRNAV (GNSS)とRNAV (RNP)と呼ばれてきました。前者は、最終アプローチフィックスからの従来の直線アプローチであり、後者は、最終アプローチフィックス後に水平面内で曲がるより複雑なアプローチで、開始するには許可が必要です ( AR = 許可が必要)。PBN実装下でのこれらのアプローチの正しい名前と表記は、それぞれRNPとRNP ARです。右の画像は、現在使用されているチャートの名前と、PBNではどのように見えるかを示しています。^[3]

従来のセンサーベースのアプローチを使用して最小間隔とルート間隔を決定する場合、最小間隔またはルート間隔を決定するために使用されるナビゲーション パフォーマンス データは、VOR、 DME、NDBなどの特定のナビゲーション エイドからの生データの精度に依存します。対照的に、PBN では、生のナビゲーション データを統合して測位およびナビゲーション ソリューションを提供する RNAV システムが必要です。最小間隔とルート間隔を決定するには、この統合されたナビゲーション パフォーマンスの「出力」が使用されます。

RNAV システムに要求されるナビゲーション性能は、ナビゲーション仕様の一部です。最小間隔とルート間隔を決定するために、空域計画者は、RNAV システムに要求される性能を記述するナビゲーション仕様のその部分を最大限に活用します。空域計画者は、ルート間隔と最小間隔を決定するために、要求される性能 (精度、整合性、可用性、継続性) も活用します。

手順制御空域では、RNP仕様の分離最小距離と経路間隔は、RNAV仕様に基づくものよりも大きな利点をもたらすことが期待されます。これは、機上性能監視および警報機能が、リスク軽減の代替手段を提供することで、ATS監視サービスの欠如を軽減できるためです。

今後のすべての RNAV および RNP アプリケーションでは、特定のナビゲーション センサーを定義するのではなく、パフォーマンス仕様を使用してナビゲーション要件が特定されることが予想されます。

メキシコ渓谷は、パフォーマンスベースのナビゲーションシステムが使用されるメキシコ初の空港となり、新しいフェリペ・アンヘレス国際空港、メキシコシティ国際空港、トルーカ国際空港は、一方の空港の運行が他方の空港の運行を妨げることなく同時に運行できるようになる。^[4]

以前の RNP コンセプトに関連するレガシーな理由により、PBN は現在、線形横方向の性能要件と時間制約を伴う操作に制限されています。このため、角度横方向の性能要件を伴う操作 (つまり、GNSS 垂直誘導によるアプローチおよび着陸操作 - 垂直誘導 APV-I および APV-II によるアプローチ手順)、および計器着陸装置(ILS) とマイクロ波着陸装置(MLS) は考慮されません。横方向の監視や障害物クリアランスとは異なり、気圧VNAV システムでは、垂直誤差に関する警告はなく、必要な 95% の総合システム精度と性能限界の間に 2 倍の関係もありません。したがって、気圧 VNAV は垂直 RNP とは見なされません。

機内パフォーマンスの監視と警告は、ナビゲーション システムが RNP アプリケーションに関連する必要な安全レベルに準拠しているかどうかを判断する主な要素です。これは、横方向と縦方向の両方のナビゲーション パフォーマンスに関係し、これにより、航空乗務員は、ナビゲーション システムが操作に必要なナビゲーション パフォーマンス を達成していないか、10 ^{−5 の整合性で保証できないことを検出できます。}

RNP システムは、運用の整合性を向上させます。これにより、ルートの間隔を狭めることができ、特定の空域でのナビゲーションに RNAV システムのみを使用できるように十分な整合性を提供できます。したがって、RNP システムを使用すると、安全性、運用性、効率性が大幅に向上する可能性があります。

機上性能監視および警告機能は、機上および空域設計内の 2 つのニーズを満たします。機上システム性能の保証は、RNAV 運用では暗黙的に行われます。既存の耐空性基準に基づき、RNAV システムは、広く解釈される明示的な要件を使用して、意図された機能と性能を実証することのみを求められます。その結果、公称 RNAV システム性能は非常に優れている可能性がありますが、システム機能と関連する飛行性能の変動性が特徴です。RNP システムは、変動性を最小限に抑え、信頼性が高く、繰り返し可能で予測可能な飛行運用を保証する手段を提供します。

機内性能監視および警告により、航空乗務員は RNP システムがナビゲーション仕様で要求されるナビゲーション性能を満たしているかどうかを検出できます。機内性能監視および警告は、横方向および縦方向のナビゲーション性能の両方に関係します。

オンボードパフォーマンス監視およびアラートは、エリアナビゲーションシステムのパフォーマンスに関係します。

• 「機内」とは、パフォーマンス監視と警告が航空機の機内で行われ、地上のルート順守モニターや航空管制監視など他の場所で行われないことを明確に意味します。機内パフォーマンス監視と警告の監視要素は、飛行技術エラー (FTE) とナビゲーション システム エラー (NSE) に関連しています。パス定義エラー (PDE) は、定義されたパスのデータベース整合性と機能要件によって制約され、無視できるものと見なされます。
• 「監視」とは、位置誤差を判定する能力および/または所望の経路をたどる能力に関する航空機の性能を監視することを指します。
• 「警告」は監視に関係します。航空機のナビゲーション システムが十分に機能しない場合は、航空乗務員に警告が送信されます。

パフォーマンスベースの飛行操作は、計画された操作の容量と効率を向上させるために、信頼性が高く、繰り返し可能で予測可能な飛行経路を確保する能力に基づいています。パフォーマンスベースの飛行操作の実装には、RNAV システムによって従来提供されてきた機能だけでなく、手順、空域、航空交通操作を改善するための特定の機能も必要になる場合があります。確立された固定半径経路、RNAV または RNP 保持、および横方向オフセットのシステム機能は、このカテゴリに分類されます。

固定半径パス (FRP) には 2 つの形式があります。

1. 半径固定 (RF) レグ タイプは、ターミナルまたは進入手順で特定の曲線経路半径が必要な場合に使用するレグ タイプの 1 つです。RF レグは、半径、円弧長、および固定によって定義されます。このレグ タイプをサポートする RNP システムは、直線セグメントの場合と同様に、旋回中に軌道維持精度に適合する機能を提供します。手順の設計では、さまざまな航空機タイプと上空の風に対するバンク角制限が考慮されます。
2. 固定半径遷移 (FRT) は、経路手順で使用することを目的としています。これらの旋回には、高高度ルート ( FL 195以上) の場合は 22.5 NM、低高度ルートの場合は 15 NM の 2 つの半径があります。RNAV ルートでこのようなパス要素を使用すると、近接した平行ルートを通じて空域の使用率を向上させることができます。

フライバイターンは、RNAV 飛行経路の重要な特徴です。RNAV システムは、航空機の速度、バンク角、風、トラック角の変化に関する情報を使用して、1 つの経路セグメントから次の経路セグメントにスムーズに移行できる飛行経路ターンを計算します。ただし、旋回半径に影響するパラメータは飛行機ごとに異なる場合があり、速度や風の状況の変化によっても異なるため、旋回開始点と旋回領域が変化することがあります。

RNAV システムは、ホールディングウェイポイントへの進入コース、旋回方向、直線区間の区間時間または距離の定義、およびホールドからの退出を計画する機能を許可することで、ホールディングパターンの指定を容易にします。RNP システムでは、さらにホールディングを改善できます。これらの RNP の改善には、ホールドへのフライバイ エントリが含まれ、提供されている RNP 制限と一致して、ホールディング パターンの非ホールディング側で必要な保護空域を最小限に抑えます。RNP ホールディングが適用される場合、厳密でない値は空域の使用と設計に悪影響を与えるため、最大 RNP 1 が推奨されます。

RNAV システムでは、フライト クルーが定義済みのルートから横方向のオフセットを指定できる場合があります。通常、横方向のオフセットは 1 NM から 20 NM までの増分で指定できます。RNAV システムで横方向のオフセットがアクティブになると、RNAV 航空機は定義済みのルートを離れ、通常は 45° 以下の角度でオフセットをインターセプトします。オフセットがキャンセルされると、航空機は同様の方法で定義済みのルートに戻ります。このようなオフセットは、戦略的 (ルートの長さに対して固定オフセット) にも、戦術的 (一時的) にも使用できます。ほとんどの RNAV システムでは、ターミナル エリアまたはアプローチ手順の開始時、RNAV ホールド時、または 90° 以上のコース変更時にオフセットが中止されます。

北大西洋の空域を運航する航空機は、最低限の航行性能仕様（MNPS）を満たす必要があります。MNPS仕様は、義務的性質を持ち、将来的にMNPSの実装が想定されていないため、PBNから意図的に除外されています。^[5]

ナビゲーション アプリケーションは 2 次元から 3 次元/4 次元へと進化すると思われますが、現時点では時間スケールと運用要件を決定するのは困難です。その結果、機上性能監視と警報は垂直面 (垂直 RNP) ではまだ開発中であり、進行中の作業は縦方向と直線の性能要件の調和を目指しています。アプローチと着陸に関連する角度性能要件は、将来 PBN の範囲に含まれることになります。同様に、ヘリコプター固有のナビゲーションと待機機能要件をサポートする仕様も含まれる可能性があります。

• 航空記事の索引

• ボーイング。パフォーマンスベースナビゲーションの運用上の利点 2008。

 この記事には、連邦航空局のウェブサイトまたは文書からのパブリック ドメインの資料が組み込まれています。