高度對RNP進近安全的影響分析

張光明

(中國民航飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川廣漢618307)

0 引言

根據(jù)《中國民航基于性能的導(dǎo)航(PBN)實施路線圖》［1］及發(fā)展戰(zhàn)略，計劃到2015年底，全民航所有民用機場將完成PBN程序設(shè)計，并將逐步建立PBN全面運行能力。截至2013年3月底，中國民航完成PBN程序設(shè)計和試飛驗證的機場有近100個，已經(jīng)正式公布PBN程序的機場有42個。

所需導(dǎo)航性能(RNP)進近屬于PBN運行類型之一，具有安全精準、高效經(jīng)濟、增加空域及機場容量等諸多運行優(yōu)勢。RNP采用GNSS水平導(dǎo)航、氣壓高度輔助垂直導(dǎo)航的類精密進近(APV)方式［2］。RNP進近由于垂直剖面采用氣壓高度引導(dǎo)，而氣壓高度會受到溫度變化的影響，因此與儀表著陸系統(tǒng)(ILS)進近有本質(zhì)的區(qū)別。

在RNP進近過程中，主要使用修正海平面氣壓(QNH)高度。本文就RNP進近過程中高度(特別是氣壓高度)對進近的影響進行分析，并利用某機場某機型RNP進近試飛快速存取記錄儀(QAR)數(shù)據(jù)予以驗證說明。

1 RNP進近特點

RNP運行是PBN運行類型的一種，可以用于航路運行、終端區(qū)(進場和離場)和進近等飛行階段。RNP進近既可以作為無ILS進近機場/跑道的主用進近方式，也可以作為有ILS進近機場/跑道的備用進近方式。

1.1 RNP進近分類

RNP進近可分為RNP APCH進近和RNP AR APCH進近。RNP APCH主要用于陸基導(dǎo)航及監(jiān)視設(shè)施不完善的機場，以及缺乏ILS設(shè)施(或單向ILS)的機場，如三亞/鳳凰機場、伊春/林都機場、宜昌/三峽機場等。RNP AR APCH進近主要用于地形環(huán)境復(fù)雜的機場，如林芝/米林機場、拉薩/貢嘎機場、九寨/黃龍機場等。

無論是RNP APCH還是RNP AR APCH進近，水平導(dǎo)航首選導(dǎo)航源為GNSS，垂直導(dǎo)航均使用氣壓高度。GNSS水平位置和垂直氣壓高度經(jīng)飛行管理計算機(FMC)耦合后，形成一條三維的進近航徑。該進近航徑與機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫預(yù)先設(shè)計的虛擬下滑道比較，獲得航空器在五邊進近中的水平偏差和垂直偏差信息，通過飛行指引(FD)方式，在主飛行顯示器(PFD)以及導(dǎo)航顯示器(ND)上，顯示“類ILS”偏離情況。

1.2 RNP進近著陸標準

由于RNP進近屬于有垂直引導(dǎo)的進近程序進近，其最低著陸標準用決斷高度/高(DA/H)和能見度(VIS)來表示，并通常標注在進近圖的下方，DA/H均使用氣壓高度。由于RNP進近機載導(dǎo)航性能還不能達到一類(CAT I)精密進近的要求，因此決斷高(DH)最小值為75 m。

如果某機場RNP APCH進近程序，僅供加裝基本GPS導(dǎo)航定位接收機、或者僅具備機載增強系統(tǒng)(ABAS)增強服務(wù)的GNSS接收機(或MMR)的航空器使用，著陸最低標準僅分為 LNAV/VNAV和LNAV兩種類型。

如果某機場RNP APCH進近程序可供加裝星基增強系統(tǒng)(SBAS)，并且能獲得可靠的SBAS增強服務(wù)的航空器使用，則著陸標準包括 LPV，LP，LNAV/VNAV和LNAV四種類型。其中，LPV和/或LP標準著陸僅供加裝SBAS接收機的航空器使用。LPV標準進近著陸的水平和垂直引導(dǎo)均使用來自SABS接收機提供的信息，不使用氣壓高度垂直引導(dǎo)，因此進近不受氣壓高度誤差的影響［3］。圖1所示為美國Northwest Florida國際機場16號跑道RNP(GPS)進近圖著陸最低標準，包括 LPV，LNAV/VNAV和LNAV三種標準。

圖1 著陸最低標準Fig.1 Minimum standards for landing

在中國區(qū)域?qū)嵤㏄BN運行無SABS增強服務(wù)，因此中國民航局規(guī)定:在全國僅設(shè)計和運行LNAV/VNAV和LNAV著陸標準的RNP APCH進近程序［1］。

1.3 RNP運行要求

實施 RNP進近(含 RNP APCH和 RNP AR APCH)有一系列相關(guān)要求，涵蓋了航空器能力、飛行機組能力、儀表飛行程序設(shè)計和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫編碼等。

1.3.1 OPMA功能

RNP進近的最大優(yōu)勢在于在沒有任何陸基導(dǎo)航設(shè)施和監(jiān)視設(shè)施的機場可以實施較低運行標準、較高飛行運行及控制精度的APV進近。對航空器機載能力而言，除了必須具備區(qū)域?qū)Ш侥芰ν?，還必須具備機載性能監(jiān)視和告警(OPMA)功能及相關(guān)顯示功能等［4］。對于實施RNP AR APCH程序的機組，還必須進行特殊的培訓(xùn)(含模擬機培訓(xùn))和特殊的審批。

不同類型的航空器和機載航電系統(tǒng)，OPMA功能內(nèi)容和表現(xiàn)形式可能不同。OPMA主要包含如下功能和信息:顯示和指示要求及估計的導(dǎo)航系統(tǒng)性能;必須監(jiān)視系統(tǒng)性能，并且在系統(tǒng)不能滿足RNP要求向機組發(fā)出告警;在設(shè)定RNP值后顯示側(cè)航跡偏差，并分別對導(dǎo)航完好性進行監(jiān)視和告警。

OPMA監(jiān)視主要對航空器飛行運行總系統(tǒng)誤差(TSE)進行監(jiān)視。TSE包括航跡定義誤差(PDE)、飛行技術(shù)誤差(FTE)和導(dǎo)航系統(tǒng)誤差(NSE)三個分量，并且是這三個分量的矢量和。為了控制PDE，要求各航路點坐標精度和分辨率要高，并且必須基于WGS-84坐標系。在機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中，RNP程序的所有航路點均基于WGS-84坐標。RNP運行FTE和NSE必須進行嚴格控制，不同導(dǎo)航規(guī)范、不同飛行階段控制要求不同。總的來說，RNP值越小，TSE控制越嚴格，各分量控制也就越嚴格［5］。

1.3.2 導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫編碼

PBN運行的重要特征之一是按照航路點(而不是導(dǎo)航臺)來構(gòu)建航路，航空器依據(jù)經(jīng)緯度坐標飛行，因此包括RNP在內(nèi)的PBN運行極大地依賴于機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫。RNP進近程序機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫需根據(jù)先前設(shè)計的RNP進近程序來進行制作，數(shù)據(jù)庫中所有航路點坐標參考系為WGS-84坐標系。

數(shù)據(jù)庫制作主要分為兩步:第一步按照ARINC 424規(guī)范制作基礎(chǔ)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫;第二步按照機載航電設(shè)備(主要是FMC)制作機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)ARINC 424規(guī)范［6］，在進行基礎(chǔ)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫制作時，將選用飛越(Fly over)和旁切(Fly by)來定義航路點屬性，選用23種航徑終結(jié)碼中的一種來定義各航段屬性。航路點屬性和航跡終結(jié)碼屬性決定了自動駕駛儀(AP)的飛行方式，以及飛行指引儀(FD)指引方式和指引信息。同時，在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中還包括航路點、航路段的高度、速度等限制信息。

圖2為某機場RNP APCH程序?qū)Ш綌?shù)據(jù)庫編碼表。表中列出了航徑終結(jié)碼、航路點標識、磁航跡、磁差、轉(zhuǎn)彎方向、高度限制、速度限制、導(dǎo)航性能等信息，這些信息最后都將編寫入機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中。

圖2 RNPAPCH飛行程序編碼表Fig.2 RNP APCH flight procedure coding schedule

2 RNP進近高度

在設(shè)計RNP進近程序時，通常預(yù)先限制每一航路點或者航段飛行的高度，并且將高度限制信息編入機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫。高度限制分為以下方式:最高高度、最低高度、窗口高度、強制高度和推薦高度。如果高度在過渡高度層(TL)以上，則氣壓高度基準面為標準海平面氣壓(QNE);如果在過渡高度(TA)以下，則氣壓高度基準面為修正海平面氣壓(QNH)。

通常來說，RNP進近均在TA以下飛行，因此氣壓基準面為QNH面。如圖2所示，在RNP程序設(shè)計過程中，如果要進行高度限制，通常采用大于等于某高度進行限制，在特殊情況下才會采用小于等于或者強制高度。高度限制信息在RNP進近圖以及機載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中有相應(yīng)的標定。

在實際飛行運行過程中，根據(jù)機場終端區(qū)實際飛行及運行情況，空中交通管制員(ATC)可能會發(fā)出臨時機動飛行指令，飛行機組通過操控航空器來改變飛行高度。如果飛行機組不干預(yù)自動駕駛儀，自動駕駛儀將按照導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的程序高度飛行。

3 高度對RNP進近影響分析

3.1 高度誤差

在同一機場起飛、著陸的航空器，必須采用相同的氣壓基準面來測量高度，中國民航規(guī)定統(tǒng)一使用本場的QNH面。對于在航路飛行的航空器，由于來自不同的機場，各機場的QNH值可能不同，因此航路飛行的航空器氣壓基準面統(tǒng)一采用QNE。

氣壓高度會受到地理位置、地球自轉(zhuǎn)、大氣環(huán)流、溫度、大氣壓力等多種因素的影響，即使在同一位置(比如機場停機坪)，不同時刻測量的氣壓高度值可能都不相同。氣壓高度的基本變化規(guī)律是:溫度升高，相同氣壓高度指示航空器實際位置偏高;溫度偏低，相同氣壓高度指示航空器實際位置偏低。溫度偏高和偏低的參考值，通常采用ISA分布規(guī)律。

民用航空飛行運行中，需要嚴格控制氣壓高度的誤差范圍，以保障飛行及運行安全?？刂茪鈮焊叨日`差的主要手段是采用氣壓補償和溫度補償?shù)姆绞?，補償工作由機載大氣數(shù)據(jù)計算機(ADC)完成?，F(xiàn)代大中型民用航空運輸機幾乎都加裝有ADC系統(tǒng)，但是絕大部分ADC只具備氣壓補償功能，不具備溫度補償功能。因此，即使最先進的機型實施RNP進近，如果不具備溫度補償功能，在飛行運行過程中均必須對運行溫度進行限制。

3.2 高低溫運行限制

溫度變化是氣壓高度誤差的主要誤差源。在基于氣壓高度輔助垂直引導(dǎo)的RNP進近過程中，溫度偏差將導(dǎo)致實際飛行航徑偏離標稱航徑。在五邊進近過程中，如果實際溫度偏離ISA溫度，即使在主飛行顯示器(PFD)和導(dǎo)航顯示器(ND)上顯示航空器準確保持在五邊標稱航徑上，但航空器實際已經(jīng)偏離五邊標稱航徑。在《目視和儀表飛行程序設(shè)計》(ICAO DOC 8168)［7］中，對 RNP APCH 運行溫度限制進行了明確規(guī)定。以五邊標稱垂直下滑角(VPA)3°為例，為了避免實際下滑角小于2.5°和大于3.5°的情況發(fā)生，對于沒有溫度補償?shù)暮娇掌髟谶\行時，需要進行運行高低溫限制。由于低溫會導(dǎo)致航空器實際位置偏低，對飛行安全的影響較大，因此絕大部分機場只作了低溫限制而沒有高溫限制。如果航空器具備溫度補償功能并符合適航要求，則在進近中不受高低溫限制。

圖3為美國Northwest Florida國際機場16號跑道RNP(GPS)進近圖，該進近屬于 RNP APCH進近。

圖3 RNPAPCH LNAV/VNAV認可的溫度Fig.3 RNPAPCH LNAV/VNAV approved temperature

圖3 對APV進近作了高低溫限制，高溫為43℃，低溫為－15℃，但是對進行溫度補償?shù)暮娇掌鳑]有溫度限制。

3.3 高度交叉檢查

為了確保RNP進近過程中氣壓高度準確可信，必須對氣壓高度進行交叉檢查。對于RNP APCH和RNP AR APCH最后進近階段，氣壓高度誤差必須控制在標稱航徑±22 m以內(nèi)。

交叉檢查主要有:左右座氣壓高度表交叉檢查;ILS信號(如有)交叉檢查;QNH證實;目視參考檢查;無線電高度(如可用)檢查等。

3.3.1 左右座檢查

RNP進近過程中，在起始進近定位點(IAF)之后、最后進近定位點(FAF)之前，必須對左右座氣壓高度表進行交叉檢查，確保兩部氣壓高度表高度差異控制在30 m以內(nèi)，否則不能繼續(xù)進近。

3.3.2 ILS檢查

一般情況下如果一條儀表跑道建立了ILS進近能力，通常會優(yōu)先選擇ILS進近。在一個機場新設(shè)計RNP程序試飛過程中，如果能夠利用ILS信號進行交叉檢查，則可以驗證RNP程序設(shè)計是否合理，同時也可以利用ILS信號對RNP進近中垂直剖面偏差進行檢查。

在試飛過程中，可以將左右座PFD和ND儀表顯示分別設(shè)定為ILS進近顯示模式和RNP進近顯示模式。如果RNP進近水平和垂直指引符號處于中立位，而ILS航向道和下滑道指引符號沒在中立位，則可以認為兩者之間的偏差即為RNP的實際航徑偏差。當然，前提條件是ILS信號是通過校飛后真實可信的。

3.3.3 QNH 檢查

由于機場氣象條件變化可能很快，因此航空器在到達FAF之前，機組必須與ATC再次確認本場實時QNH值，以便減少由于QNH設(shè)定偏差帶來的RNP進近航徑偏差。如果預(yù)報/設(shè)定的QNH值與機場QNH真實值差1 mbar，則帶來的高度誤差約為9.14 m。如果飛行機組錯誤設(shè)定QNH并且偏差較大，而飛行機組沒有發(fā)現(xiàn)這一偏差，則可能導(dǎo)致嚴重的飛行事故。

3.3.4 目視參考檢查

在五邊進近過程中，如果天氣晴好，能見度高，機組可以通過提前建立目視參考來檢查氣壓高度和RNP五邊進近航徑是否一致。如果機場安裝有精密進近坡度指示器(PAPI)，或者目視進近坡度指示器(VGSI)，可以通過觀察PAPI/VGSI指示來判斷。

如果設(shè)計RNP程序標稱下滑道為3°并且PAPI/VGSI安裝角度也是3°，航空器將處于標稱下滑航徑上，機組將觀測到2紅2白燈。如果高于標稱航徑將看到3白1紅或者4白燈;如果低于標稱航徑將看到3紅1白或者4紅燈。由于溫度將影響氣壓高度，因此飛行機組在實施RNP進近初期，通過觀察PAPI/VGSI來判斷進近航徑偏差將非常不習(xí)慣，需要經(jīng)過一段時間的運行才能建立正確的情景意識。

3.3.5 無線電高度檢查

機載無線電高度表很少在飛行運行中作為主用參考儀表，其根本原因在于無線電高度表測量指示值受到航空器飛行姿態(tài)和地面障礙物分布的影響，因此通常在高度低于610 m后才作為參考儀表，在CAT II以上精密進近中可以作為復(fù)飛決斷的參考儀表。

如果確認某機場五邊進近航徑下方地勢平坦，無線電高度表指示相對較為準確。在這類機場實施RNP進近，如果沒有ILS信號并且五邊能見度也不好，可以使用無線電高度表對RNP進近的實際航徑進行輔助交叉檢查。

4 試飛QAR數(shù)據(jù)分析

QAR是現(xiàn)代大中型民航運輸飛機上要求必須加裝的數(shù)據(jù)記錄儀，目前可以記錄數(shù)百個飛行數(shù)據(jù)［8］。航空公司和民航相關(guān)管理部門利用QAR數(shù)據(jù)可對航空公司飛行機隊狀態(tài)、飛行品質(zhì)等進行監(jiān)控，是航空公司和民航主管部門進行飛行運行監(jiān)督和檢查的重要依據(jù)。容量為512M的QAR可以記錄時長達1800 h、數(shù)百個機載傳感器的數(shù)據(jù)，基本涵蓋飛行運行品質(zhì)的絕大部分參數(shù)。

在新設(shè)計RNP程序試飛后，航空公司或相關(guān)單位可以依據(jù)試飛QAR數(shù)據(jù)，對本次試飛效果進行評估，查找可能存在的潛在問題，并責成相關(guān)部門進行整改。以下分析過程中，使用的數(shù)據(jù)為某機場RNP APCH程序試飛QAR數(shù)據(jù)，包含了五邊進近水平位置、高度等信息。圖4為分析中使用的部分QAR數(shù)據(jù)。

圖4 部分試飛QAR數(shù)據(jù)Fig.4 Part of flight test QAR data

4.1 試飛五邊航徑分析

從本文分析可以看出，RNP APCH使用氣壓高度對五邊進行垂直引導(dǎo)，五邊垂直航徑控制將受到包括氣壓高度誤差在內(nèi)的多方面因素影響。通過對試飛QAR數(shù)據(jù)分析，不但可以驗證氣壓高度誤差影響，還可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(NavDB)編碼的完好性及程序可飛性等問題。

為便于直觀分析和研究，本文以下數(shù)據(jù)是經(jīng)過處理后的QAR數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系，橫軸為飛機距跑道入口(THR)水平距離(x)，縱軸為修正海平面氣壓(QNH)高度(H)。

在以下分析中，圖中的實線表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中定義的五邊進近航徑剖面(從FAF到MAP點);“×”虛線表示氣壓高度航跡剖面;“·”虛線表示無線電高度航跡剖面。如圖5所示，利用QAR數(shù)據(jù)可以計算出五邊氣壓高度航徑下降梯度為5.12%，下滑角(VPA)為2.93°。而從圖6中可以看出，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫編碼表中定義的VPA為3.00°。這兩個下滑角本來應(yīng)該一致，該程序存在差異的主要原因在于導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中高度編碼時采用百英尺取整。

圖5 五邊氣壓高度擬合航徑Fig.5 Final segment baro-altitude fitted path

圖6 導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫最后進近段編碼Fig.6 Final segment coding schedule of NavDB

4.2 低溫試飛數(shù)據(jù)分析

要獲得試飛航空器實際位置和垂直航徑，不能使用氣壓高度，必須使用真高，但是真高很難獲取。本次試飛機場為河流沖擊平原，五邊航徑下方地勢平坦開闊，在這一運行環(huán)境特征下，可認為五邊進近無線電高度約等于真高。

本次進近預(yù)報機場場面溫度為－8℃，屬于低溫條件運行。如圖7所示，在低溫條件下的試飛航徑中間進近最后階段高度低于標稱航徑高度。隨著高度的下降，距跑道入口越來越近，兩種航徑的差異越來越小。

圖7 五邊無線電高度擬合航跡Fig.7 Final segment radio altitude fitted path

真高擬合航徑與氣壓高度擬合航徑對比，下降梯度分別為4.87%和5.12%，相應(yīng)下滑角分別為2.79°和 2.93°，與標稱航跡 5.10% 下降梯度和2.92°的下滑角相差較大。這一結(jié)論再次驗證了溫度對RNP APCH程序飛行的影響。

4.3 QNH撥正影響

中國民航局規(guī)定，在民用機場飛行運行中的過渡高度(TA)以下，氣壓高度基準面使用QNH。在機組設(shè)定氣壓高度基準面的過程中，如果設(shè)定QNH值有誤差，將導(dǎo)致測量氣壓高度錯誤，設(shè)定值偏大則測量氣壓高度偏高，設(shè)定值偏小則測量氣壓高度偏低，設(shè)定誤差多大則對應(yīng)的氣壓高度誤差就有多大。

QNH設(shè)定誤差主要來源于以下三個方面:機場預(yù)報QNH與真實值存在差異;機場QNH變化過快;QNH值收聽或設(shè)定錯誤。為了避免這些情況的發(fā)生，除要求機場預(yù)報準確QNH值外，在到達FAF點之前，機組必須再次與ATC確認本場QNH值，檢查QNH設(shè)定是否正確。

圖8為QNH撥正值錯誤進近航徑。

圖8 QNH撥正值錯誤進近航徑Fig.8 Final path in the case of QNH setting wrong

從圖8可以看出，五邊開始下降點高度(參考無線電高度)比標稱 FAF高度低，同時復(fù)飛點(MAPt)高度已經(jīng)快接近跑道入口標高。通過檢查QAR數(shù)據(jù)中該次進近QNH設(shè)定值，發(fā)現(xiàn)本次進近QNH值設(shè)定錯誤，因此出現(xiàn)進近失敗。由于本次RNP APCH程序試飛天氣條件好，能見度高，試飛機組能掌控飛行狀態(tài)，因此QNH設(shè)定錯誤沒有影響安全。但是，在實際飛行運行過程中，嚴厲禁止錯誤設(shè)定QNH值。如果在低能見度條件下錯誤設(shè)定QNH值，可能會導(dǎo)致嚴重的飛行事故。

5 結(jié)束語

RNP進近的關(guān)鍵階段是五邊進近階段，該階段主要依據(jù)氣壓高度對航空器來實施垂直引導(dǎo)。如果氣壓高度存在誤差，將影響飛行安全;如果實際溫度并非ISA溫度，即使飛行指引顯示航空器無垂直偏差，航空器的實際位置也會因溫度偏差而偏離標稱五邊航徑。為了避免出現(xiàn)嚴重偏差影響飛行安全，對RNP進近(包括RNP AHCH和RNP AR APCH)運行必須進行溫度限制，在進近過程中必須采用其他方式進行交叉檢查，確保進近安全。

［1］ 中國民用航空局.中國民航基于性能的導(dǎo)航實施路線圖［R］.北京:中國民用航空局，2009.

［2］ 楊洪海，張光明.中國民航PBN發(fā)展戰(zhàn)略及實施現(xiàn)狀［J］.中國民用航空，2010，(12):19-22.

［3］ 張光明.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航的應(yīng)用前景［J］.國際航空，2012，12(4):46-48.

［4］ 國際民航組織.ICAO DOC 9613 基于性能的導(dǎo)航(PBN)手冊［S］.加拿大蒙特利爾:國際民航組織，2008.

［5］ 張光明，張飛橋.導(dǎo)航性能對PBN運行的影響［C］//第30屆中國控制會議論文集.煙臺，2011:5568-5573.

［6］ Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC 424-18 Navigation systems data base［S］.Maryland US:Aeronautical Radio，Inc，2005.

［7］ 國際民航組織.ICAO DOC 8168-2 目視和儀表飛行程序設(shè)計準則［S］.加拿大蒙特利爾:國際民航組織，2007.

［8］ 中國民用航空局飛行標準司.AC-121/135-FS-2012-45飛行品質(zhì)監(jiān)控(FOQA)實施與管理［S］.北京:中國民用航空局飛行標準司，2012.