偏離規(guī)范的要求授權(quán)的所需導(dǎo)航性能飛行程序設(shè)計及實例分析

向小軍，陳紅英

（中國民航飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院飛行力學(xué)教研室，四川，廣漢618307）

偏離規(guī)范的要求授權(quán)的所需導(dǎo)航性能飛行程序設(shè)計及實例分析

向小軍，陳紅英*

（中國民航飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院飛行力學(xué)教研室，四川，廣漢618307）

要求授權(quán)的所需導(dǎo)航性能（RNP AR：Required Navigation Performance Au?thorization Required）飛行程序設(shè)計靈活，用于高原山區(qū)和地形復(fù)雜機場可以降低運行標(biāo)準(zhǔn).在實際運行中為降低運行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的RNP AR飛行程序可能會偏離相關(guān)規(guī)范，本文研究了實際中由于地形等原因，在最后進近對正跑道的最短距離和復(fù)飛RNP值小于1的最大長度等方面偏離相關(guān)規(guī)范的情況.以國內(nèi)某機場RNP AR進近程序設(shè)計為例，設(shè)計了在最后進近滾出點到入口的距離和復(fù)飛最大長度都偏離國際民航組織（ICAO：Interna?tional Civil Aviation Organization）規(guī)范的RNP AR進近飛行程序，給出了進近和復(fù)飛設(shè)計參數(shù).通過某機型的模擬機驗證說明設(shè)計的偏離規(guī)范RNP AR飛行程序是可行的，能夠滿足運行和安全水平要求.

交通工程；偏離規(guī)范；模擬機驗證；RNP AR飛行程序；航行新技術(shù)

1 引言

隨著各國民航業(yè)的迅猛增長，世界民航不斷推廣航行新技術(shù)，如電子飛行包（EFB：Electronic Flight Bag）、所需導(dǎo)航性能（PBN：Performance Based Navigation），以及平視引導(dǎo)系統(tǒng)（HUD：Head UP display）.其中PBN應(yīng)用技術(shù)在提高民用航空安全性、運營效率、盈利能力和發(fā)展空間方面具有明顯的優(yōu)勢.PBN技術(shù)尤其是利用星基導(dǎo)航的RNP技術(shù)，它取消了地面導(dǎo)航臺，而僅以地理坐標(biāo)點定義航路點[1]，因此飛行精度和準(zhǔn)確度大大提高. RNP進近程序包括RNP APCH和RNP AR APCH（簡稱RNPAR）進近程序，RNPAR是需要民航局特殊授權(quán)批準(zhǔn)的，通常該程序是針對特定航空公司的特定機型設(shè)計的.但為了降低設(shè)計和運行成本，提高運行效率和運營安全性，中國民航局積極推進RNPAR程序的公共化，即公共RNPAR程序.因此RNP技術(shù)的推廣和應(yīng)用必將成為推動世界民航向嶄新的高度發(fā)展的重要技術(shù)標(biāo)志，它也將成為我國從民航大國發(fā)展成為民航強國的技術(shù)保障.

我國西南地區(qū)多高原山區(qū)，地形條件復(fù)雜，部分航路還沒有完全實現(xiàn)雷達(dá)覆蓋，加之地面輔助導(dǎo)航設(shè)施不足，對飛機在復(fù)雜天氣條件下的安全飛行造成了影響，許多航班往往飛到目的地機場上空時，卻因為運行標(biāo)準(zhǔn)不夠而返航備降其他機場，給旅客的出行帶來極大不便.RNPAR飛行程序因其水平保護區(qū)小、能提供水平和垂直引導(dǎo)，并能采用靈活的固定半徑轉(zhuǎn)彎（RF：Radius to Fix航段）為高原山區(qū)、地形條件復(fù)雜，以及空域受限的機場保障運行帶來了巨大好處，也為航空公司帶來了巨大的經(jīng)濟效益[2].目前中國民航拉薩、林芝、九寨、麗江，以及張家界等機場都使用了RNPAR飛行程序.這些機場運行RNPAR程序給機場和航空公司運行帶來了效益和安全保障.但目前這些機場的RNPAR飛行程序都是國外的公司（如波音、空客、GE（General Electric Company）航空集團等）設(shè)計的.最近國內(nèi)也開始進行RNP AR飛行程序的設(shè)計，本文通過研究RNPAR飛行程序設(shè)計的規(guī)范、分析了不同規(guī)范對RNPAR飛行程序設(shè)計的要求，重點研究了目前RNPAR飛行程序設(shè)計經(jīng)常需要偏離規(guī)范的地方，并以某機場進近飛行程序設(shè)計為例，設(shè)計了偏離規(guī)范的RNPAR飛行程序，模擬機驗證說明了設(shè)計的偏離規(guī)范RNPAR飛行程序的可行性和安全性.

2 RNP AR飛行程序設(shè)計規(guī)范對比

PBN飛行程序設(shè)計的主要參考規(guī)范有國際民航組織（ICAO）DOC 8168第二卷《目視儀表飛行程序設(shè)計》和美國聯(lián)邦航空管理局（FAA：Federal Aviation Administration）Order 8260.58《United States Standard for Performance Based Navigation (PBN)Instrument Procedure Design》[3].這些規(guī)范中包括PBN飛行程序設(shè)計原則、方法和要求.但RNP AR進近飛行程序設(shè)計的設(shè)計要求和原則是在ICAO DOC 9905《要求授權(quán)的所需導(dǎo)航性能程序設(shè)計手冊》[4]和Order 8260.58的第五卷.此外，GE航空集團設(shè)計在實際運行中還制定了自己的設(shè)計原則，但其規(guī)范沒有公開.因此就RNP AR進近程序設(shè)計而言，主要以DOC 9905和Order 8260.58的第五卷為依據(jù).

RNP AR與RNP APCH進近飛行程序設(shè)計的最大區(qū)別在于，RNPAPCH是用固定障礙物評價面APV-OAS（Approach procedure with vertical guidance-Obstacle assessment surfaces）（包括FAS面，水平面和復(fù)飛面）進行障礙物評估[5]，而RNPAR是基于垂直誤差分布（VEB：Vertical error budget）（即將氣壓垂直導(dǎo)航航空電子系統(tǒng)的垂直誤差性能限制在規(guī)定值內(nèi)）.ICAO和FAA規(guī)范在VEB的計算上是一致的.基于VEB的最小超障裕度（MOC：Minimum obstacle clearance）是采用平方和根的方式得到已知的三倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的3σ值，乘以4/3，求取一個四倍標(biāo)準(zhǔn)偏差4σ的值，然后加上偏移誤差確定總的MOC[6].MOC的計算公式為

式中bg——機體幾何誤差，bg=40×sinγ，γ為坡度角；

isad——國際標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度偏差；

anpe——實際導(dǎo)航性能誤差，anpe=1.225× RNP×1 852×tanθ；

wpr——航路點分辨率誤差，wpr=18×tanθ；

fte——飛行技術(shù)誤差，取常值23m；

ase——高度測量系統(tǒng)誤差，計算公式為

vae——垂直角度誤差，計算公式為

atis——終端自動情報系統(tǒng)，取常值6 m；

θ——垂直航徑角；

elev——機場標(biāo)高.

ICAO和FAA規(guī)范有一些細(xì)節(jié)差異，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）順風(fēng)分量使用不一樣.ICAO DOC9905中的順風(fēng)分量用表1中的數(shù)據(jù).FAA Order 8260.58中順風(fēng)分量的計算公式為

式中VKTW——表示順風(fēng)，單位為km/h；

Alt——表示高度，單位為m.

表1 轉(zhuǎn)彎計算的順風(fēng)分量（km/h）Table 1 Tailwind in turn calculation(km/h)

從上面的分析可知，在機場上空600 m，按FAA規(guī)范只需考慮56 km/h的順風(fēng)，而按ICAO的規(guī)范，至少需要考慮92 km/h的順風(fēng).ICAO使用的順風(fēng)量過于保守，F(xiàn)AA更接近于實際.因此實際設(shè)計RNP AR飛行程序時，更多的用FAA的順風(fēng)要求.

（2）目視航段面要求不一樣，ICAO不允許有障礙物穿透，但FAA規(guī)范允許穿透.ICAO對目視航段的要求與8168一致，但FAA對目視航段面的要求是考慮目視航段的OIS面.

（3）FAA對RF航段長度要求最小為2RNP值，但I(xiàn)CAO DOC 9905沒有此要求.復(fù)飛航段中RNP小于1.0的最大長度DMASRNP的要求不一樣.

3RNP AR飛行程序設(shè)計的偏離

通過分析波音和空客設(shè)計RNP AR飛行程序發(fā)現(xiàn)，在一些地形復(fù)雜或空域受限的機場，RNP AR飛行程序設(shè)計經(jīng)常有偏離規(guī)范的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個方面.

（1）根據(jù)規(guī)范的要求，最后進近RF航段滾出點（FROP：Final approach roll-out point）距離跑道入口必須滿足依據(jù)最快航空器在ISA＋15℃、機場標(biāo)高、以及50秒(當(dāng)復(fù)飛RNP小于1.0或者復(fù)飛基于RNPAPCH時)的15節(jié)順風(fēng)對應(yīng)的距離，以D50表示，單位為m.實際設(shè)計中可能偏離.

（2）根據(jù)規(guī)范中的要求如果復(fù)飛RNP值小于1，則復(fù)飛的RF航段坡度必須限制在15°以內(nèi).實際設(shè)計中也可能偏離.

（3）復(fù)飛航段中RNP小于1.0的最大長度DMASRNP的要求.在ICAO DOC9905中，從決斷高度/高與垂直航徑角的交叉點所測量出的小于1.0海里的水平精度值可以延伸至復(fù)飛航段中的最大距離DMASRNP為

式中DMASRNP單位為km；VTAS為真速，單位為km/h.在RNPAR程序設(shè)計中RNP小于1的復(fù)飛航段最大長度要求經(jīng)常偏離要求規(guī)范.

4 偏離規(guī)范的RNP AR飛行程序設(shè)計實例分析

RNP AR進近程序的最后進近航段通常由于障礙物或空域限制要求設(shè)計RF航段，但為了確保最后進近飛機有足夠的時間和距離對正跑道，根據(jù)ICAO DOC9905和FAA Order 8260.58對最后進近RF航段滾出點（FROP）距離跑道入口都有最短距離要求，并且兩個規(guī)范要求是一致的.即必須同時滿足下列兩項要求：

（1）在著陸跑道入口點標(biāo)高上方150 m(492 ft)對正跑道要求的距離D150，單位為m，D150的計算公式為

（2）依據(jù)最快航空器在ISA＋15℃、機場標(biāo)高、以及15秒(復(fù)飛RNP=1)或50秒(復(fù)飛RNP小于1.0)的15節(jié)順風(fēng)對應(yīng)的距離D15或D50，單位為m. D15和D50的計算公式為

式中RDH為跑道入口基準(zhǔn)高，通常為15m；θ為垂直航徑角，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計為3°；HATh為跑道入口以上高，單位為m；VTAS為真速，單位為km/h.

此外復(fù)飛航段的開始爬升點位置SOC計算公式為

式中OCH為最后進近超障高；TrD為過渡距離，計算公式為

式中t為過渡時間，取15 s，并且需要考慮順風(fēng)；MaxGndSpeed為考慮順風(fēng)后的最大地速；anpe，wpr和fte取值與本文前面相同.

下面以某機場某個跑道方向為例，設(shè)計RNP AR進近程序，根據(jù)地形等情況設(shè)計進近程序RNP值為0.3，復(fù)飛RNP為0.3.考慮運行C類航空器，最后進近速度使用295 km/h.復(fù)飛限速306 km/h，復(fù)飛爬升梯度為標(biāo)準(zhǔn)的2.5%.順風(fēng)考慮使用FAA規(guī)范要求.

滾出點距離入口的最短距離DFROP計算如表2所示.從表2可知滾出點距離入口的最短距離至少為7 483 m，但考慮地形限制等情況不得不將滾出點設(shè)置在距離跑道入口6 482 m處，因此不滿足ICAO和FAA規(guī)范對最短距離要求，即偏離了規(guī)范.

表2 滾出點距離入口的最短距離計算Table 2 The distance calculation from FROP to Threshold

根據(jù)ICAO的規(guī)范，復(fù)飛RNP0.3的最大長度DMASRNP為零，即不允許使用RNP0.3.但根據(jù)FAA的規(guī)范，復(fù)飛RNP0.3的最大長度DMASRNP使用式（6）計算為9 451 m.因此該機場設(shè)計偏離了ICAO規(guī)范，采用了FAA的規(guī)范.在有些設(shè)計中，F(xiàn)AA的規(guī)范也不能滿足，因此也可能完全偏離ICAO和FAA規(guī)范.

最后進近航段的RF航段長度計算和坡度限制如表3所示.

從表3中分析可知，轉(zhuǎn)彎坡度角滿足規(guī)范限制的18°，沒有偏離規(guī)范.經(jīng)分析FAP的程序高度定為1 800 m，最后進近航段控制障礙物海拔高度為1 300 m，距離12入口1 620.8 m，經(jīng)計算OCH為165 m.復(fù)飛過渡距離和起始爬升位置SOC的計算如表4所示.

表4 RNP AR復(fù)飛過渡距離和SOC計算Table 4 RNP AR missed approach TrD and SOC calculation

經(jīng)檢查目視超障面VSS滿足ICAO和FAA規(guī)范要求，評估后確定沒有障礙物穿透目視超障面.此外，復(fù)飛航段超障檢查也滿足要求.

表3 最后進近RF航段的參數(shù)計算Table3Parameter calculation of Final approach RF segment

5 研究結(jié)論

本文分析了RNP AR與RNP APCH進近飛行程序設(shè)計的區(qū)別；研究了ICAO DOC 9905《要求授權(quán)的所需導(dǎo)航性能程序設(shè)計手冊》和FAA Order 8260.58中RNP AR飛行程序設(shè)計規(guī)范差異；重點討論了由于實際地形等因素限制，為降低運行標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計RNP AR飛行程序偏離規(guī)范的情況.并以設(shè)計國內(nèi)某機場某個跑道方向的RNPAR進近飛行程序為例，設(shè)計了滾出點的最短距離要求，偏離了ICAO和FAA規(guī)范，復(fù)飛RNP小于1的最大長度要求，偏離了ICAO的規(guī)范的RNPAR飛行程序.通過某機型模擬機試飛驗證，發(fā)現(xiàn)能滿足運行要求，不會觸發(fā)告警，在最后進近航段能對正跑道.因此模擬機驗證表明，本文設(shè)計的偏離規(guī)范的RNP AR進近飛行程序是合理的，且能滿足實際運行和安全要求.

[1]麻士東,何運成,常芙蓉,等.PBN飛行程序驗證中自動飛行的仿真研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2011, 11(6)：51-52.[MA S D,HE Y C,CHANG F R,et al.Auto?matic flight simulation for validation of PBN flight proce?dure[J],Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology,2011,11(6):51-52.]

[2]陳東程.RNP在高原機場的運行優(yōu)勢[J].中國民用航空,2010(120):26-28.[CHEN D C.The operational ad?vantages of RNP at plateau airport[J].China Civil Avia?tion,2010(120):26-28.]

[3]FAA.Order8260.58“United states standard for perfor?mance based navigation(PBN)instrument procedure de?sign”[S].FAA,2012.09.

[4]ICAO.Required navigation performance authorization re?quired(RNP AR)procedure design manual Doc 9905 [S].ICAO,2011.04.

[5]朱代武,王冬冬,楊姝,等.PBN飛行程序設(shè)計中障礙物評價輔助軟件的開發(fā)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012, 12(35):9793-9796.[ZHU D W,WANG D D,YANG S, et al.Research of obstacle assessment auxiliary software [J].Science Technology and Engineering,2012,12(35): 9793-9796.]

[6]王志學(xué),李曄.基于RNP AR進近程序的最后進近航段分析[J].中國民航大學(xué)學(xué)報,2012,30(5):19-22. [WANG Z X,LI Y.Analysis of final approach segment based on RNP AR approach[J].Journal Civil Aviation University of China,2012,30(5):19-22.]

Design and Case Analysis of Required Navigation Performance Authorization Required Flight Procedure for Deviated from Specifications

XIANG Xiao-jun,CHEN Hong-ying
（Flight Mechanics Department of Flight Technology College,CivilAviation Flight University of China,Guanghan 618307, Sichuan,China）

ract:Because of the flexibility of RNP AR(Required Navigation Performance Authorization Required)flight procedure design,the operation minima can be reduced at airports located on Plateau or complex terrain.However,the design of RNP AR flight procedures may be deviated from the relevant specifications.In this paper,the scenarios of such deviations have been researched,for example,the shortest distance from threshold in final approach and the maximum length of a missed approach when RNP value is less than 1.Meanwhile,taking a domestic airport RNP AR approach procedure design for example,a RNP AR approach flight procedure deviated from ICAO(International Civil Aviation Organization)specifications has been designed,and the final approach and missed approach design parameters have been given simultaneously.Finally,the feasibility of RNPAR flight procedure deviated from specifications which can meet the operation and safety requirement has been verified by simulator.

rds:traffic engineering;deviation from specifications;simulator verification;RNPAR flight procedures;a new technique of navigation

1009-6744（2014）04-0239-05

V355.1

A

2013-11-25

2014-03-21錄用日期：2014-04-01

向小軍（1972-），男，四川廣安人，副教授，碩士. *

chyzqyuanli@163.com