基于QAR数据的RNP APCH垂直飞行航迹分析

朱 琰，张光明

（中国民用航空飞行学院飞行技术学院，四川 广汉 618307）

当前，中国民航以及国际民航界正在全面推广基于性能导航（PBN）。截至2013年3月底，国内完成PBN程序设计和试飞验证的机场已接近100个。到2015年底，国内所有民用机场将完成PBN程序设计，届时中国民航将全面建立PBN运行能力[1]。

本文讨论的RNP APCH为RNP进近的一种。根据ICAO在《目视和仪表飞行程序设计规范》（ICAO DOC 8168）中的定义，目前仪表进近分为3类，即精密进近（PA）、类精密进近（APV）和非精密进近（NPA）。RNP APCH属于APV进近[2]。

对快速存取记录仪（QAR）数据进行有效分析是保障飞行安全、提高飞行运行效率的有效科学手段。基于QAR数据的五边垂直航迹对于RNP APCH飞行运行的安全评估具有重要作用。本文将就该问题进行分析研究，并结合某机场RNP APCH试飞的QAR数据进行验证评估。

1 RNP APCH概述

PBN运行分为RNAV运行和RNP运行。PBN运行的进近方式只有RNP进近。RNP进近分为RNP APCH和RNP AR APCH两种导航规范，其中RNP APCH规范适用于平原或者地形环境较好的机场，而RNP AR APCH适用于地形环境复杂的机场（如林芝/米林机场）[3]，也可用于增加空域容量和降噪使用。

RNP APCH是PBN运行中最基本的一种进近类型，中国民航大部分机场均将陆续设计和运行RNP APCH进近程序。RNP APCH适用机场最多，适航现役机队规模最大，公司航班运行使用最广。目前中国绝大部分飞行运行机队均具备RNP APCH能力，波音系列约为65%，空客系列超过90%[1]；新引进的飞机机队要求必须具备RNP APCH能力。

1.1 APV概念

ICAO附件六《航空器运行》中定义了两种类精密进近（APV）程序：第一类是通过飞行管理系统（FMS），耦合大气数据系统（ADS）的气压高度信息提供垂直引导的进近程序，该类称为基于气压辅助（Baro-VNAV）的APV程序；第二类是基于星基增强系统（SBAS）增强的机载GNSS接收机，输出并提供三维（水平和垂直）引导的进近程序。

目前中国民航RNP APCH采用Baro-VNAV APV进近。基于气压辅助垂直导航的RNP APCH根据导航数据库中定义的最后进近定位点（FAF）与跑道入口交叉高（TCH）处空间点形成的高距比，通过FMC计算当前航空器基于气压高度的三维位置，并将该三维位置与导航数据库中定义的进近航迹比较得到水平和垂直偏航信息，并将该信息以“类ILS”进近的方式，在主飞行显示器（PFD）和导航显示器（ND）上显示，供飞行机组参考和自动驾驶仪制导使用。

1.2 RNP APCH着陆标准

由于中国区域没有SABS卫星提供增强服务，因此中国民航规定，在国内仅设计和运行具有ABAS增强服务的LNAV/VNAV和LNAV标准的RNP APCH进近程序。

如果按照RNPAPCH的LNAV/VNAV标准进近，则首选水平导航源为GPS，垂直导航使用气压高度，构建三维APV进近航迹[4]。RNP APCH如果按照LNAV标准进近，则水平采用GPS导航，垂直航迹控制使用进近图上的高距比控制，可以视为是一种非精密进近。

通常情况下LNAV/VNAV着陆标准比LNAV要低，在ICAO DOC 8168中规定，LNAV/VNAV最低着陆标准中，决断高不能低于75 m（250 ft，1 ft=0.304 8 m，以下同），而CAT I精密进近的标准为60 m（200 ft）。因此，RNP APCH进近是类精密进近，达不到精密进近的着陆标准。某机场RNP APCH运行的着陆标准栏信息如图1所示。

图1 RNP APCH最低运行标准Fig.1 RNP APCH minimum operation standard

2 气压误差对RNP APCH五边进近的影响

2.1 气压高度误差

在不同气象条件下，相同气压高度的几何高程可能不同，但气压差值可能相同，在飞行机组操作手册（FCOM）中专门有针对气压高度误差的对应修正表格。只要气温偏离ISA值，就存在温度引起的气压高度误差。值得注意的是，如果气压基准面气压值（修正海压QNH）不准确，也会造成气压高度误差。

2.2 RNP系统高低温限制

基于气压辅助垂直导航的RNP APCH运行，受季节及温度影响明显。在ICAO DOC 8168中，对RNP APCH运行温度限制做了明确规定。以程序设计VPA 3°为例，为了避免因气温原因导致的下滑角VPA小于2.5°和大于3.5°的情况发生，需要有高温和低温限制，从而保障飞行安全。在RNP APCH进近程序图上标注有飞行运行低温限制信息，如图2所示。

图2 RNP APCH最低运行温度限制示例Fig.2 Example of RNP APCH minimum operation limit

2.3 气压高度误差的影响

在基于Baro-VNAV的RNP APCH运行中，首选水平导航源为全球导航卫星系统（GNSS），垂直剖面管理使用气压高度。由于气压高度存在一定的误差，因此在RNP APCH进近过程中，气压高度误差会直接影响RNP APCH的飞行运行。

气压高度受气温影响大，当飞机气压高度表指示高度相同时，寒冷天气飞机的相对高度要低于炎热天气条件下的相对高度。在偏离ISA温度的条件下，则高距比将带来误差，会引起五边下滑角的变化，使进近垂直剖面趋于陡峭或平坦。气温偏差对RNP APCH进近航迹带来的影响，如图3所示。

从飞行运行角度看，必须采取措施来减小气压高度误差对RNP APCH运行的影响，最直接和有效的办法是对大气数据系统采用温度补偿的方式。如果采用了温度补偿，则该航空器在执行RNP APCH进近时将不受温度限制的影响。值得注意的是，目前绝大部分航空器的大气数据系统并没有进行温度补偿，因此在大部分情况下RNP APCH运行将受到运行温度限制。DOC 8168给出的一组低温条件下气压高度校正值，如表1所示。

图3 气压高度误差对RNP APCH进近航迹的影响Fig.3 Effect of pressure altitude error on RNP APCH trajectory

表1 温度校正Tab.1 Temperature calibration

从表1可以看出，相同温度条件下，气压高度误差随高度的降低逐渐减小；相同高度条件下，在0℃～-50℃的温度范围内，气压高度误差随温度的升高逐渐减小。

3 基于QAR数据的RNPAPCH飞行安全评估

3.1 QAR数据

快速存取记录仪（Quick Access Recorder，QAR）为无保护装置的机载飞行数据记录设备，主要用于日常运行时获取飞行数据，可同时记录数百个数据，包括航空器实际飞行参数、导航数据以及发动机参数等。QAR数据可以根据需要进行配置采集，数据获取相对简便。目前，QAR数据通常作为航空公司日常的飞机状态监控、飞行品质监控和发动机监控处理分析的基本参考依据。

空客系列飞机飞行品质监控项目总共涵盖59个监控项目，波音系列飞机为60个项目[5]，QAR数据涵盖飞行运行品质监控的绝大部分参数。容量为512M的QAR记录器，记录时长达1 800 h，可并行记录数百个传感器数据。

3.2 试飞数据评估

以下数据为某机场RNP APCH程序试飞QAR数据，包含了该RNP APCH试飞五边进近的全部位置和高度信息，即航空器实时经纬坐标、气压高度和无线电高。借助Matlab软件将3组数据进行最小二乘法拟合，对试飞的五边进近垂直航迹进行还原。拟合分析中用到的部分QAR数据如图4所示。

图4 拟合分析的部分QAR数据Fig.4 Part of QAR fitting analysis data

将五边进近航段拟合航迹和导航数据库标称航迹进行对比，可以直观反映出气压高度误差，并能从侧面验证导航数据库数据的完好性。

3.2.1 RNP APCH五边QAR数据评估分析

RNP APCH程序的所有编码数据都集成到导航数据库中，导航数据库中RNP APCH程序的编码将直接影响程序的完好性，本次试飞导航数据库的精度和完好性符合要求。以下分析中，利用QAR数据将航空器实时位置解算成航空器距跑道入口的距离，结合气压高度拟合出五边垂直航迹，真实反映航空器FMS对导航数据库数据的执行状况。

通过对距跑道入口距离和气压高度进行拟合，通过导航数据库的标称航迹与QAR数据拟合航迹对比，分析其一致性，从而反映QAR数据的精度。不论外界温度等气象条件变化与否，该组拟合航迹始终不变，与机组调定的QNH基准面无关，拟合航迹还可得出各航段的高度控制和下降梯度。某次RNP APCH进近试飞过程中五边航迹的拟合曲线如图5所示。

图5 五边气压高度拟合航迹Fig.5 Final pressure altitude fitting trajectory

如图5所示，实线为气压高度拟合航迹，是对RNP APCH最后进近航段QAR数据高距比的拟合。虚线为导航数据库标称航迹。气压高度拟合航迹的稳定进近部分下降梯度为5.12%，相应下滑角VPA为2.93°。导航数据库中，最后进近航段标称航迹的实际下降梯度为5.096%，相应下滑角为2.92°。导航数据库最后进近航段相应编码数据如图6所示。

图6 导航数据库最后进近航段数据Fig.6 Final approach segment data of Navigation DataBase

由上述分析可以看出，QAR数据拟合航迹很好的符合了导航数据库定义的标称航迹，说明QAR数据的精度和完好性满足分析要求。但在最后进近航段，航空器QAR记录平飞改下降位置与导航数据库中的FAF点相差较大，明显看出航空器飞过了FAF点后才改下降。

造成以上原因的主要因素有2个方面：

1）波音系列飞机在执行RNP APCH进近时五边采用高度优先原则，而空客系列飞机采用角度优先原则。波音系列飞机根据导航数据库编码的FAF经纬坐标和相应气压高度，到FAF点后飞机各系统开始执行动作改下降并进入最后进近航段，而执行本次试飞的是波音系列飞机。空客系列飞机在进入最后进近航段前，截获固定下滑角的标称航迹就开始下降，即在FAF点前开始执行下降动作。因此，不同系列的机型在执行RNP APCH进近时会出现不同航迹误差。

2）CAT I类PA、APV和NPA通常使用气压高度表作为高度基准。在使用修正海压（QNH）基准面时，公布的进近图和编码表中FAF点高度向上5 m（或10 ft）取整[6]。FMC在计算最后下降航迹时，FAF及SDF点高度向上取整，其结果将导致标称航迹略微偏高，但对于试飞和运行并无安全影响。

因此，QAR数据的气压高度拟合航迹是航空器结合自身性能对FMC导航数据库标称航迹的模拟，虽然有差异，QAR拟合航迹与导航数据库标称航迹的符合性可以很好的验证QAR数据的精度和完好性。同时，由于QAR数据时对直接提取航空器的各传感器数据，因此五边高距比QAR数据的精度和完好性可以直接反应航空器的高度保持控制能力。

3.2.2 低温进近数据验证

利用QAR数据中实时气压高度和无线电高度，拟合出五边飞行的垂直航迹，可以还原五边的实际飞行航迹与导航数据库标称航迹的差异，直观反映气压高度误差，为机组在以后飞行过程中可能遇到问题提供参考。

绝大多数情况下，因为机场附近地形障碍物等因素的影响，还原飞机五边的实际飞行航迹不能直接使用无线电高度。但该试飞机场位于河流冲击平原，地面开阔平坦，五边地势极为平整，因此本组拟合采信无线电高度作为飞机实际几何高度。从QAR数据中获知该次进近机场场面气温-8℃，为低温条件运行。该机场试飞某次正常RNP APCH进近几何高度拟合航迹如图7所示。

图7 五边几何高度拟合航迹Fig.7 Final geometric altitude fitting trajectory

由图7可以看出，在低温情况下实际飞行航迹低于ISA条件下的标称航迹。在平飞航段实际高度低于标称高度，在最后进近航段实际航迹低于标称下滑航迹，并随高度的降低气压高度误差逐渐减小。

在最后进近航段，QAR数据几何高度拟合航迹下降梯度分别为4.87%，相应下滑角2.788°；导航数据库标称航迹的下降梯度为5.096%，下滑角为2.92°。几何高度拟合航迹与标称航迹的下滑角相差较大。可以看出低温确实导致实际航迹偏低且趋于平坦。

3.2.3 气压基准面对进近的影响评估

机组使用有误差的QNH值，将会引起五边进近实际垂直航迹的偏差。若选取的基准QNH值大于实际QNH值，则实际的垂直飞行航迹将会平移偏低，反之则会偏高，偏移量与QNH误差量有关。

正常低温进近条件下，使用的正确的QNH基准面，则RNP APCH五边最后进近航段的实际进近航迹将偏低且趋于平坦。但若错误的拨正偏小的QNH，将导致实际飞行航迹平移偏高。两种气压高度误差相互叠加，就导致偏低且趋于平坦的实际进近航迹整体向上平移。某次RNP APCH进近QNH拨正错误的进近航迹，如图8所示。

图8 QNH错误非正常RNP APCH进近Fig.8 Abnormal RNP APCH approach using incorrect QNH

根据运算结果，几何高度拟合航迹最后进近阶段稳定进近部分的下降梯度为4.95%，下滑角为2.83°；在MAPt处，几何高度偏高60 ft，约20 m，这在接近跑道入口时已经构成了极大的着陆偏差，直接关乎飞机能否落地，影响飞行安全。而在正常进近的情况下，几何高度拟合航迹的延长线在MAPt处应该与标称航迹基本重合。由以上分析可以看出，气压基准面的准确性对于RNP APCH的安全运行有着极其重要的意义。

4 结语

RNP APCH进近作为目前一种可行有效的进近运行方式，对于有ILS设施的机场来说是对ILS进近的有益补充和备份；对于没有ILS设施的机场，可以实现类精密进近，在一定程度上降低了机场最低运行标准，提高了机队全天候运行能力和飞行安全裕度。

通过分析RNP APCH飞行运行QAR数据，可真实准确还原出五边进近的垂直航迹。本文提出了对RNP APCH飞行程序QAR数据的精度和完好性验证方法，同时基于导航数据库分析气压高度误差对RNP APCH进近的影响，较好地满足了RNP APCH飞行运行的技术安全评估和事故分析的要求。

[1]CAAC.Performance-Based Navigation Implementation Roadmap[S].CAAC，2009.

[2]ICAO.DOC 8168 OPS/611，Aircraft Operations V Ⅱ[S].ICAO，2007.

[3]杨洪海，张光明.中国民航PBN发展战略及实施现状[J].中国民用航空，2010（12）：19-22.

[4]ICAO.DOC 9613 AN/937，Performance-Based Navigation（PBN）Manual（3 ed）[S].ICAO，2008.

[5]中国民用航空局.AC-121/135-FS-2012-45，航空运输承运人飞行品质监控（FOQA）实施与管理[S].北京：中国民用航空局，2012.

[6]中国民用航空局.AC-97-FS-2011-05，民用航空机场运行最低标准制定与实施准[S].北京：中国民用航空局，2011.