一種用于民用支線機(jī)場(chǎng)PAPI燈位置計(jì)算的方法研究

摘 ?要：作為民用機(jī)場(chǎng)必須設(shè)置的燈光系統(tǒng)，為了更好地幫助駕駛員在進(jìn)近階段中確保飛機(jī)在正確航道上下滑，文章基于精密進(jìn)近航道指示設(shè)置原理，提出了誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化法。該方法在計(jì)算過程中充分考慮主要的工程誤差，通過迭代優(yōu)化保證滿足飛機(jī)飛過跑道入口時(shí)輪子凈距要求的前提下，將最低眼輪高度MENT和PAPI的位置確定在較為準(zhǔn)確的數(shù)值，提高計(jì)算精度。

關(guān)鍵詞：民用機(jī)場(chǎng);助航燈光;PAPI系統(tǒng);跑道入口;眼輪高度

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）06-0100-03

Method Research on the Calculation of PAPI Light Position for

Civil Branch Airport

LIU Jing

（Guangzhou Branch of Shanghai CAAC New Era Airport Design & Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou ?510080，China）

Abstract：As a lighting system that must be set up in civil airport，in order to better help the pilot to ensure the aircraft glide on the correct channel in the approach phase，this paper proposes an error dynamic compensation optimization method based on the principle of precise approach channel indication setting. In this methods calculating process，the main engineering errors are fully considered. Under the premise of meeting the requirements of the clear distance of the wheels when the aircraft flies over the runway entrance through iterative optimization，the minimum eye wheel height MENT and the position of PAPI are determined in a more accurate value to improve the calculation accuracy.

Keywords：civil airport;aeronautical obstacle light;PAPI system;runway entrance;eye wheel height

0 ?引 ?言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，民用航空在綜合交通運(yùn)輸體系中的作用日益突出，成為增長速度最快、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮慕煌ㄟ\(yùn)輸方式。機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)是保障飛機(jī)飛行安全的重要目視助航設(shè)備，在飛機(jī)進(jìn)近、著陸、滑行過程中起著關(guān)鍵作用。在夜間或霧天等能見度較低的自然條件下，助航燈正常與否直接關(guān)系到飛機(jī)起降的安全，是現(xiàn)代化的民用機(jī)場(chǎng)維持運(yùn)行的前提條件之一。

助航燈光系統(tǒng)由進(jìn)近燈光系統(tǒng)、目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)、跑道燈光系統(tǒng)、滑行道燈光系統(tǒng)和其他燈光系統(tǒng)組成。ICAO附件14和MH5001-2013《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中均有相關(guān)規(guī)定，有進(jìn)近引導(dǎo)要求的航空器使用的跑道，無論跑道是否設(shè)有其他目視助航設(shè)備或非目視助航設(shè)備，應(yīng)設(shè)置目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)。目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)有其特殊的目視進(jìn)近助航作用[1]，能幫助駕駛員在進(jìn)近階段保持飛機(jī)正確地下滑在航道上，屬于民用機(jī)場(chǎng)必須設(shè)置的燈光系統(tǒng)。機(jī)場(chǎng)燈光的運(yùn)行中，往往只有PAPI是常亮的，而跑道燈光、進(jìn)近燈光在某些氣象條件下，都是可以熄滅的。

1 ?PAPI設(shè)置原則

國際民用航空組織已批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)有以下幾種：T式目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)（T-VASIS）、簡化T式目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)（AT-VASIS）、精密進(jìn)近坡度指示器（Precision approach path Indicator，PAPI）和簡化精密進(jìn)近坡度指示器（APAPI）。國際民航建議自2020年1月1日起，停止將T-VASIS和AT-VASIS作為標(biāo)準(zhǔn)目視進(jìn)近坡度指示系統(tǒng)使用[2]。鑒于APAPI僅可用于基準(zhǔn)代碼為1或2的跑道[3]，而我國民用機(jī)場(chǎng)以樞紐機(jī)場(chǎng)、干線機(jī)場(chǎng)和支線機(jī)場(chǎng)為主（跑道基準(zhǔn)代碼為3或4），因此，PAPI逐漸取代其它目視坡度指示器的唯一性成為必然趨勢(shì)。PAPI雖然中文名稱是精密進(jìn)近航道指示器，但是它并不局限于精密進(jìn)近[4]，實(shí)際使用中，非精密進(jìn)近及目視進(jìn)近的跑道，通常也設(shè)置PAPI。

PAPI系統(tǒng)由四個(gè)燈具組成，設(shè)在跑道的左側(cè)（對(duì)進(jìn)近中的駕駛員而言），如圖1所示，在實(shí)際不可行時(shí)可設(shè)在跑道的右側(cè)。正在或接近正確的航道進(jìn)近坡下滑時(shí)，看到離跑道最近的兩個(gè)燈具為紅色，離跑道較遠(yuǎn)的兩個(gè)燈具為白色，如圖2所示。

《機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)手冊(cè) 第4部分 目視助航設(shè)備》中有介紹PAPI的定位計(jì)算，但是計(jì)算原理和過程較為簡單，工程上誤差的補(bǔ)償也是采用后補(bǔ)償?shù)姆绞?，在?shí)際應(yīng)用中計(jì)算便捷性和誤差有待商榷。

圖1 ?跑道典型PAPI燈設(shè)置

圖2 ?正在或接近正確的航道進(jìn)近坡下滑時(shí)PAPI燈構(gòu)型

本文在原理相同的基礎(chǔ)上，改進(jìn)計(jì)算方法，提出了誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化法。該方法結(jié)合工程實(shí)際中場(chǎng)道地勢(shì)設(shè)計(jì)平整的規(guī)律性，在計(jì)算中充分考慮主要的工程誤差，用數(shù)學(xué)和迭代優(yōu)化計(jì)算的數(shù)解方法，在保證使用PAPI時(shí)飛機(jī)飛過跑道入口時(shí)輪子的凈距要求的前提下，將最低眼高M(jìn)ENT和PAPI的位置確定在較為準(zhǔn)確的數(shù)值，提高計(jì)算精度。

2 ?基于誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化法的PAPI計(jì)算實(shí)例分析

中部省份某支線機(jī)場(chǎng)W飛行區(qū)指標(biāo)為4C，跑道長2 600米，以該支線機(jī)場(chǎng)W主降方向?yàn)槔?，?jì)算PAPI的位置。

2.1 ?確定M角

考慮支線機(jī)場(chǎng)W航班業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)情況以及目前執(zhí)飛支線機(jī)場(chǎng)的主要飛行機(jī)型，確定支線機(jī)場(chǎng)∠M=2°48′即2.8°，tanM=0.048 9。

2.2 ?跑道機(jī)型參數(shù)

根據(jù)飛行程序相關(guān)數(shù)據(jù)，該支線機(jī)場(chǎng)跑道執(zhí)飛最大機(jī)型為B737-800，按最嚴(yán)格的機(jī)型要求查《機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)手冊(cè) 第4部分 目視助航設(shè)備》附錄6，眼-輪高度（眼軌跡至最低輪子軌跡高度）h（眼-輪）=5.82米，要求輪子凈距9米，則跑道入口最小眼高M(jìn)ENT*=5.82+9=14.82米。眼-天高度h（眼-天）=0.27米。

2.3 ?跑道中線相關(guān)地勢(shì)參數(shù)和跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)距離

結(jié)合跑道中線的地勢(shì)參數(shù)，計(jì)算主降方向跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)實(shí)際距離的過程為：

（1）主降方向跑道入口標(biāo)高h(yuǎn)0=325.01米。

（2）跑道中線地勢(shì)標(biāo)高的方程式：

h=h0+tanθ1·x1+tanθ2·（x2-x1）+…+tanθn+1·（xn+1-xn）（1）

其中，x為距跑道入口的長度，按不同坡度段取值。tanθ為相應(yīng)坡度段的斜率（注：距離分段計(jì)算時(shí)，上升坡tanθ為+，下降坡tanθ為-）。

（3）假定ILS/MLS基準(zhǔn)高度為15米，下滑角為3°，且跑道為水平時(shí)，跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)距離為15/tan3°=286米[5]。由此可推斷，假定跑道水平時(shí)，跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)標(biāo)稱距離在幾何上可認(rèn)為是15米3°下滑角直線與跑道中線水平線的交點(diǎn)。

但是實(shí)際工程中，一則跑道中線往往不是水平線，而是由不同斜率段構(gòu)成的分段函數(shù)（見式（1）），二則ILS/MLS下滑進(jìn)近需要考慮補(bǔ)償眼天高度。

h=h0+15+h（眼-天）-tan3°·x ? ? ? ? ? ? ? （2）

因此，跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)實(shí)際距離L0可認(rèn)為是，即15米+眼-天高度h（眼-天）的3°下滑角直線（式（2））與函數(shù)（跑道中線地勢(shì)標(biāo)高，式（1））交點(diǎn)。L0用公式可表示為：

案例支線機(jī)場(chǎng)W中，根據(jù)兩個(gè)函數(shù)的特性和工程經(jīng)驗(yàn)，可推斷：（1）作為交點(diǎn)的有效原點(diǎn)實(shí)際距離L0的有效范圍可假設(shè)放大在200米～400米之間;（2）計(jì)算L0時(shí)，跑道入口至有效范圍下限附近的分段點(diǎn)之間斜率無論如何變化，對(duì)實(shí)際計(jì)算L0結(jié)果沒有任何影響。結(jié)合該機(jī)場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)地勢(shì)，L0有效范圍最大可取值在370米左右，最小值可取在250米左右，并獲取相應(yīng)的坡度段斜率，列得如表1所示（250米前面斜率變化可忽略）。

將表中數(shù)據(jù)代入式（3）計(jì)算出跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)實(shí)際距離L0=331.50米。

2.4 ?PAPI位置

以PAPI中第二個(gè)燈具（燈具B，距離跑道邊33米）為基準(zhǔn)，其設(shè)置角為2°50′，如圖3所示。

燈具B所在的平行跑道中線的縱向直線地勢(shì)方程假設(shè)為h=ax+b，考慮燈具安裝時(shí)的燈芯高程以及PAPI系統(tǒng)四個(gè)燈具盡量在同一水平面，取燈具燈芯高度為0.81米，則燈芯的地勢(shì)方程可為hB=ax+b+0.81。根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)地勢(shì)，在已知某段直線內(nèi)的兩點(diǎn)地勢(shì)，可采用內(nèi)插法求得不同x對(duì)應(yīng)的hB。

計(jì)算PAPI的位置是要求滿足飛機(jī)（支線機(jī)場(chǎng)一般取最大機(jī)型）在ILS/MLS信號(hào)下滑過程中駕駛員眼睛目視PAPI顏色正確，以達(dá)到ILS/MLS和PAPI兩者信號(hào)的最佳協(xié)調(diào)。計(jì)算上可理解PAPI位置滿足飛機(jī)過跑道入口的眼高值不低于最小眼高值MENT*=14.82米，即燈具B的燈芯在直線段上變化時(shí)，距跑道入口縱向距離x，要求滿足x·tanM-（h0-hB）=MENT*，其中tanM=0.048 9米，h0=325.01米，MENT*=14.82米。

兩個(gè)方程的數(shù)學(xué)解法上可利用迭代優(yōu)化求解準(zhǔn)確值，而跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)實(shí)際距離L0可作為可靠的基準(zhǔn)初始值。在支線機(jī)場(chǎng)W的PAPI位置迭代計(jì)算如表2所示。

每一列數(shù)據(jù)計(jì)算得到移動(dòng)距離?L，修正第二列的距跑道入口距離x，不斷迭代直到移動(dòng)距離?L為0，對(duì)應(yīng)值確定的PAPI最終位置。按照上述步驟計(jì)算可得：機(jī)場(chǎng)W主降方向PAPI的最終位置為347.40米。

3 ?結(jié) ?論

PAPI的位置計(jì)算不僅是助航燈光系統(tǒng)的重要內(nèi)容，而且與跑道瞄準(zhǔn)點(diǎn)、飛行下滑航道等密切相關(guān)，經(jīng)過在多個(gè)機(jī)場(chǎng)工程的實(shí)例研究，得到如下結(jié)論：（1）跑道入口至ILS下滑道有效原點(diǎn)實(shí)際距離L0可作為可靠的基準(zhǔn)初始值計(jì)算PAPI位置。（2）對(duì)于支線機(jī)場(chǎng)，M角通常采用2°48′，扇形為20′;而為了將PAPI系統(tǒng)的信號(hào)和ILS下滑坡信號(hào)匹配的協(xié)調(diào)到更靠近跑道入口的一點(diǎn)，扇形可擴(kuò)大30′，M角采用2°45′。（3）對(duì)于支線機(jī)場(chǎng)，適合采用最大機(jī)型計(jì)算PAPI位置。（4）本文提出的誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化法是基于場(chǎng)道地勢(shì)設(shè)計(jì)的規(guī)律性，直接適用于新建機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目。對(duì)于機(jī)場(chǎng)改造項(xiàng)目，建議根據(jù)實(shí)測(cè)地勢(shì)數(shù)據(jù)線性化處理，再采用誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化法計(jì)算。

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作者簡介：劉靖（1989—），女，漢族，江西吉安人，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)場(chǎng)助航燈光及供配電設(shè)計(jì)。