偏离规范的要求授权的所需导航性能飞行程序设计及实例分析

向小军，陈红英

（中国民航飞行学院飞行技术学院飞行力学教研室，四川，广汉618307）

偏离规范的要求授权的所需导航性能飞行程序设计及实例分析

向小军，陈红英*

（中国民航飞行学院飞行技术学院飞行力学教研室，四川，广汉618307）

要求授权的所需导航性能（RNP AR：Required Navigation Performance Au⁃thorization Required）飞行程序设计灵活，用于高原山区和地形复杂机场可以降低运行标准.在实际运行中为降低运行标准设计的RNP AR飞行程序可能会偏离相关规范，本文研究了实际中由于地形等原因，在最后进近对正跑道的最短距离和复飞RNP值小于1的最大长度等方面偏离相关规范的情况.以国内某机场RNP AR进近程序设计为例，设计了在最后进近滚出点到入口的距离和复飞最大长度都偏离国际民航组织（ICAO：Interna⁃tional Civil Aviation Organization）规范的RNP AR进近飞行程序，给出了进近和复飞设计参数.通过某机型的模拟机验证说明设计的偏离规范RNP AR飞行程序是可行的，能够满足运行和安全水平要求.

交通工程；偏离规范；模拟机验证；RNP AR飞行程序；航行新技术

1 引言

随着各国民航业的迅猛增长，世界民航不断推广航行新技术，如电子飞行包（EFB：Electronic Flight Bag）、所需导航性能（PBN：Performance Based Navigation），以及平视引导系统（HUD：Head UP display）.其中PBN应用技术在提高民用航空安全性、运营效率、盈利能力和发展空间方面具有明显的优势.PBN技术尤其是利用星基导航的RNP技术，它取消了地面导航台，而仅以地理坐标点定义航路点[1]，因此飞行精度和准确度大大提高. RNP进近程序包括RNP APCH和RNP AR APCH（简称RNPAR）进近程序，RNPAR是需要民航局特殊授权批准的，通常该程序是针对特定航空公司的特定机型设计的.但为了降低设计和运行成本，提高运行效率和运营安全性，中国民航局积极推进RNPAR程序的公共化，即公共RNPAR程序.因此RNP技术的推广和应用必将成为推动世界民航向崭新的高度发展的重要技术标志，它也将成为我国从民航大国发展成为民航强国的技术保障.

我国西南地区多高原山区，地形条件复杂，部分航路还没有完全实现雷达覆盖，加之地面辅助导航设施不足，对飞机在复杂天气条件下的安全飞行造成了影响，许多航班往往飞到目的地机场上空时，却因为运行标准不够而返航备降其他机场，给旅客的出行带来极大不便.RNPAR飞行程序因其水平保护区小、能提供水平和垂直引导，并能采用灵活的固定半径转弯（RF：Radius to Fix航段）为高原山区、地形条件复杂，以及空域受限的机场保障运行带来了巨大好处，也为航空公司带来了巨大的经济效益[2].目前中国民航拉萨、林芝、九寨、丽江，以及张家界等机场都使用了RNPAR飞行程序.这些机场运行RNPAR程序给机场和航空公司运行带来了效益和安全保障.但目前这些机场的RNPAR飞行程序都是国外的公司（如波音、空客、GE（General Electric Company）航空集团等）设计的.最近国内也开始进行RNP AR飞行程序的设计，本文通过研究RNPAR飞行程序设计的规范、分析了不同规范对RNPAR飞行程序设计的要求，重点研究了目前RNPAR飞行程序设计经常需要偏离规范的地方，并以某机场进近飞行程序设计为例，设计了偏离规范的RNPAR飞行程序，模拟机验证说明了设计的偏离规范RNPAR飞行程序的可行性和安全性.

2 RNP AR飞行程序设计规范对比

PBN飞行程序设计的主要参考规范有国际民航组织（ICAO）DOC 8168第二卷《目视仪表飞行程序设计》和美国联邦航空管理局（FAA：Federal Aviation Administration）Order 8260.58《United States Standard for Performance Based Navigation (PBN)Instrument Procedure Design》[3].这些规范中包括PBN飞行程序设计原则、方法和要求.但RNP AR进近飞行程序设计的设计要求和原则是在ICAO DOC 9905《要求授权的所需导航性能程序设计手册》[4]和Order 8260.58的第五卷.此外，GE航空集团设计在实际运行中还制定了自己的设计原则，但其规范没有公开.因此就RNP AR进近程序设计而言，主要以DOC 9905和Order 8260.58的第五卷为依据.

RNP AR与RNP APCH进近飞行程序设计的最大区别在于，RNPAPCH是用固定障碍物评价面APV-OAS（Approach procedure with vertical guidance-Obstacle assessment surfaces）（包括FAS面，水平面和复飞面）进行障碍物评估[5]，而RNPAR是基于垂直误差分布（VEB：Vertical error budget）（即将气压垂直导航航空电子系统的垂直误差性能限制在规定值内）.ICAO和FAA规范在VEB的计算上是一致的.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标准偏差的3σ值，乘以4/3，求取一个四倍标准偏差4σ的值，然后加上偏移误差确定总的MOC[6].MOC的计算公式为

式中bg——机体几何误差，bg=40×sinγ，γ为坡度角；

isad——国际标准大气温度偏差；

anpe——实际导航性能误差，anpe=1.225× RNP×1 852×tanθ；

wpr——航路点分辨率误差，wpr=18×tanθ；

fte——飞行技术误差，取常值23m；

ase——高度测量系统误差，计算公式为

vae——垂直角度误差，计算公式为

atis——终端自动情报系统，取常值6 m；

θ——垂直航径角；

elev——机场标高.

ICAO和FAA规范有一些细节差异，主要体现在以下几个方面：

（1）顺风分量使用不一样.ICAO DOC9905中的顺风分量用表1中的数据.FAA Order 8260.58中顺风分量的计算公式为

式中VKTW——表示顺风，单位为km/h；

Alt——表示高度，单位为m.

表1 转弯计算的顺风分量（km/h）Table 1 Tailwind in turn calculation(km/h)

从上面的分析可知，在机场上空600 m，按FAA规范只需考虑56 km/h的顺风，而按ICAO的规范，至少需要考虑92 km/h的顺风.ICAO使用的顺风量过于保守，FAA更接近于实际.因此实际设计RNP AR飞行程序时，更多的用FAA的顺风要求.

（2）目视航段面要求不一样，ICAO不允许有障碍物穿透，但FAA规范允许穿透.ICAO对目视航段的要求与8168一致，但FAA对目视航段面的要求是考虑目视航段的OIS面.

（3）FAA对RF航段长度要求最小为2RNP值，但ICAO DOC 9905没有此要求.复飞航段中RNP小于1.0的最大长度DMASRNP的要求不一样.

3RNP AR飞行程序设计的偏离

通过分析波音和空客设计RNP AR飞行程序发现，在一些地形复杂或空域受限的机场，RNP AR飞行程序设计经常有偏离规范的地方，主要表现在以下几个方面.

（1）根据规范的要求，最后进近RF航段滚出点（FROP：Final approach roll-out point）距离跑道入口必须满足依据最快航空器在ISA＋15℃、机场标高、以及50秒(当复飞RNP小于1.0或者复飞基于RNPAPCH时)的15节顺风对应的距离，以D50表示，单位为m.实际设计中可能偏离.

（2）根据规范中的要求如果复飞RNP值小于1，则复飞的RF航段坡度必须限制在15°以内.实际设计中也可能偏离.

（3）复飞航段中RNP小于1.0的最大长度DMASRNP的要求.在ICAO DOC9905中，从决断高度/高与垂直航径角的交叉点所测量出的小于1.0海里的水平精度值可以延伸至复飞航段中的最大距离DMASRNP为

式中DMASRNP单位为km；VTAS为真速，单位为km/h.在RNPAR程序设计中RNP小于1的复飞航段最大长度要求经常偏离要求规范.

4 偏离规范的RNP AR飞行程序设计实例分析

RNP AR进近程序的最后进近航段通常由于障碍物或空域限制要求设计RF航段，但为了确保最后进近飞机有足够的时间和距离对正跑道，根据ICAO DOC9905和FAA Order 8260.58对最后进近RF航段滚出点（FROP）距离跑道入口都有最短距离要求，并且两个规范要求是一致的.即必须同时满足下列两项要求：

（1）在着陆跑道入口点标高上方150 m(492 ft)对正跑道要求的距离D150，单位为m，D150的计算公式为

（2）依据最快航空器在ISA＋15℃、机场标高、以及15秒(复飞RNP=1)或50秒(复飞RNP小于1.0)的15节顺风对应的距离D15或D50，单位为m. D15和D50的计算公式为

式中RDH为跑道入口基准高，通常为15m；θ为垂直航径角，标准设计为3°；HATh为跑道入口以上高，单位为m；VTAS为真速，单位为km/h.

此外复飞航段的开始爬升点位置SOC计算公式为

式中OCH为最后进近超障高；TrD为过渡距离，计算公式为

式中t为过渡时间，取15 s，并且需要考虑顺风；MaxGndSpeed为考虑顺风后的最大地速；anpe，wpr和fte取值与本文前面相同.

下面以某机场某个跑道方向为例，设计RNP AR进近程序，根据地形等情况设计进近程序RNP值为0.3，复飞RNP为0.3.考虑运行C类航空器，最后进近速度使用295 km/h.复飞限速306 km/h，复飞爬升梯度为标准的2.5%.顺风考虑使用FAA规范要求.

滚出点距离入口的最短距离DFROP计算如表2所示.从表2可知滚出点距离入口的最短距离至少为7 483 m，但考虑地形限制等情况不得不将滚出点设置在距离跑道入口6 482 m处，因此不满足ICAO和FAA规范对最短距离要求，即偏离了规范.

表2 滚出点距离入口的最短距离计算Table 2 The distance calculation from FROP to Threshold

根据ICAO的规范，复飞RNP0.3的最大长度DMASRNP为零，即不允许使用RNP0.3.但根据FAA的规范，复飞RNP0.3的最大长度DMASRNP使用式（6）计算为9 451 m.因此该机场设计偏离了ICAO规范，采用了FAA的规范.在有些设计中，FAA的规范也不能满足，因此也可能完全偏离ICAO和FAA规范.

最后进近航段的RF航段长度计算和坡度限制如表3所示.

从表3中分析可知，转弯坡度角满足规范限制的18°，没有偏离规范.经分析FAP的程序高度定为1 800 m，最后进近航段控制障碍物海拔高度为1 300 m，距离12入口1 620.8 m，经计算OCH为165 m.复飞过渡距离和起始爬升位置SOC的计算如表4所示.

表4 RNP AR复飞过渡距离和SOC计算Table 4 RNP AR missed approach TrD and SOC calculation

经检查目视超障面VSS满足ICAO和FAA规范要求，评估后确定没有障碍物穿透目视超障面.此外，复飞航段超障检查也满足要求.

表3 最后进近RF航段的参数计算Table3Parameter calculation of Final approach RF segment

5 研究结论

本文分析了RNP AR与RNP APCH进近飞行程序设计的区别；研究了ICAO DOC 9905《要求授权的所需导航性能程序设计手册》和FAA Order 8260.58中RNP AR飞行程序设计规范差异；重点讨论了由于实际地形等因素限制，为降低运行标准，在设计RNP AR飞行程序偏离规范的情况.并以设计国内某机场某个跑道方向的RNPAR进近飞行程序为例，设计了滚出点的最短距离要求，偏离了ICAO和FAA规范，复飞RNP小于1的最大长度要求，偏离了ICAO的规范的RNPAR飞行程序.通过某机型模拟机试飞验证，发现能满足运行要求，不会触发告警，在最后进近航段能对正跑道.因此模拟机验证表明，本文设计的偏离规范的RNP AR进近飞行程序是合理的，且能满足实际运行和安全要求.

[1]麻士东,何运成,常芙蓉,等.PBN飞行程序验证中自动飞行的仿真研究[J].交通运输系统工程与信息,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]陈东程.RNP在高原机场的运行优势[J].中国民用航空,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,杨姝,等.PBN飞行程序设计中障碍物评价辅助软件的开发研究[J].科学技术与工程，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]王志学,李晔.基于RNP AR进近程序的最后进近航段分析[J].中国民航大学学报,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录用日期：2014-04-01

向小军（1972-），男，四川广安人，副教授，硕士. *

chyzqyuanli@163.com