高度对RNP进近安全的影响分析

张光明

(中国民航飞行学院飞行技术学院，四川广汉618307)

0 引言

根据《中国民航基于性能的导航(PBN)实施路线图》［1］及发展战略，计划到2015年底，全民航所有民用机场将完成PBN程序设计，并将逐步建立PBN全面运行能力。截至2013年3月底，中国民航完成PBN程序设计和试飞验证的机场有近100个，已经正式公布PBN程序的机场有42个。

所需导航性能(RNP)进近属于PBN运行类型之一，具有安全精准、高效经济、增加空域及机场容量等诸多运行优势。RNP采用GNSS水平导航、气压高度辅助垂直导航的类精密进近(APV)方式［2］。RNP进近由于垂直剖面采用气压高度引导，而气压高度会受到温度变化的影响，因此与仪表着陆系统(ILS)进近有本质的区别。

在RNP进近过程中，主要使用修正海平面气压(QNH)高度。本文就RNP进近过程中高度(特别是气压高度)对进近的影响进行分析，并利用某机场某机型RNP进近试飞快速存取记录仪(QAR)数据予以验证说明。

1 RNP进近特点

RNP运行是PBN运行类型的一种，可以用于航路运行、终端区(进场和离场)和进近等飞行阶段。RNP进近既可以作为无ILS进近机场/跑道的主用进近方式，也可以作为有ILS进近机场/跑道的备用进近方式。

1.1 RNP进近分类

RNP进近可分为RNP APCH进近和RNP AR APCH进近。RNP APCH主要用于陆基导航及监视设施不完善的机场，以及缺乏ILS设施(或单向ILS)的机场，如三亚/凤凰机场、伊春/林都机场、宜昌/三峡机场等。RNP AR APCH进近主要用于地形环境复杂的机场，如林芝/米林机场、拉萨/贡嘎机场、九寨/黄龙机场等。

无论是RNP APCH还是RNP AR APCH进近，水平导航首选导航源为GNSS，垂直导航均使用气压高度。GNSS水平位置和垂直气压高度经飞行管理计算机(FMC)耦合后，形成一条三维的进近航径。该进近航径与机载导航数据库预先设计的虚拟下滑道比较，获得航空器在五边进近中的水平偏差和垂直偏差信息，通过飞行指引(FD)方式，在主飞行显示器(PFD)以及导航显示器(ND)上，显示“类ILS”偏离情况。

1.2 RNP进近着陆标准

由于RNP进近属于有垂直引导的进近程序进近，其最低着陆标准用决断高度/高(DA/H)和能见度(VIS)来表示，并通常标注在进近图的下方，DA/H均使用气压高度。由于RNP进近机载导航性能还不能达到一类(CAT I)精密进近的要求，因此决断高(DH)最小值为75 m。

如果某机场RNP APCH进近程序，仅供加装基本GPS导航定位接收机、或者仅具备机载增强系统(ABAS)增强服务的GNSS接收机(或MMR)的航空器使用，着陆最低标准仅分为 LNAV/VNAV和LNAV两种类型。

如果某机场RNP APCH进近程序可供加装星基增强系统(SBAS)，并且能获得可靠的SBAS增强服务的航空器使用，则着陆标准包括 LPV，LP，LNAV/VNAV和LNAV四种类型。其中，LPV和/或LP标准着陆仅供加装SBAS接收机的航空器使用。LPV标准进近着陆的水平和垂直引导均使用来自SABS接收机提供的信息，不使用气压高度垂直引导，因此进近不受气压高度误差的影响［3］。图1所示为美国Northwest Florida国际机场16号跑道RNP(GPS)进近图着陆最低标准，包括 LPV，LNAV/VNAV和LNAV三种标准。

图1 着陆最低标准Fig.1 Minimum standards for landing

在中国区域实施PBN运行无SABS增强服务，因此中国民航局规定:在全国仅设计和运行LNAV/VNAV和LNAV着陆标准的RNP APCH进近程序［1］。

1.3 RNP运行要求

实施 RNP进近(含 RNP APCH和 RNP AR APCH)有一系列相关要求，涵盖了航空器能力、飞行机组能力、仪表飞行程序设计和导航数据库编码等。

1.3.1 OPMA功能

RNP进近的最大优势在于在没有任何陆基导航设施和监视设施的机场可以实施较低运行标准、较高飞行运行及控制精度的APV进近。对航空器机载能力而言，除了必须具备区域导航能力外，还必须具备机载性能监视和告警(OPMA)功能及相关显示功能等［4］。对于实施RNP AR APCH程序的机组，还必须进行特殊的培训(含模拟机培训)和特殊的审批。

不同类型的航空器和机载航电系统，OPMA功能内容和表现形式可能不同。OPMA主要包含如下功能和信息:显示和指示要求及估计的导航系统性能;必须监视系统性能，并且在系统不能满足RNP要求向机组发出告警;在设定RNP值后显示侧航迹偏差，并分别对导航完好性进行监视和告警。

OPMA监视主要对航空器飞行运行总系统误差(TSE)进行监视。TSE包括航迹定义误差(PDE)、飞行技术误差(FTE)和导航系统误差(NSE)三个分量，并且是这三个分量的矢量和。为了控制PDE，要求各航路点坐标精度和分辨率要高，并且必须基于WGS-84坐标系。在机载导航数据库中，RNP程序的所有航路点均基于WGS-84坐标。RNP运行FTE和NSE必须进行严格控制，不同导航规范、不同飞行阶段控制要求不同。总的来说，RNP值越小，TSE控制越严格，各分量控制也就越严格［5］。

1.3.2 导航数据库编码

PBN运行的重要特征之一是按照航路点(而不是导航台)来构建航路，航空器依据经纬度坐标飞行，因此包括RNP在内的PBN运行极大地依赖于机载导航数据库。RNP进近程序机载导航数据库需根据先前设计的RNP进近程序来进行制作，数据库中所有航路点坐标参考系为WGS-84坐标系。

数据库制作主要分为两步:第一步按照ARINC 424规范制作基础导航数据库;第二步按照机载航电设备(主要是FMC)制作机载导航数据库。

根据ARINC 424规范［6］，在进行基础导航数据库制作时，将选用飞越(Fly over)和旁切(Fly by)来定义航路点属性，选用23种航径终结码中的一种来定义各航段属性。航路点属性和航迹终结码属性决定了自动驾驶仪(AP)的飞行方式，以及飞行指引仪(FD)指引方式和指引信息。同时，在导航数据库中还包括航路点、航路段的高度、速度等限制信息。

图2为某机场RNP APCH程序导航数据库编码表。表中列出了航径终结码、航路点标识、磁航迹、磁差、转弯方向、高度限制、速度限制、导航性能等信息，这些信息最后都将编写入机载导航数据库中。

图2 RNPAPCH飞行程序编码表Fig.2 RNP APCH flight procedure coding schedule

2 RNP进近高度

在设计RNP进近程序时，通常预先限制每一航路点或者航段飞行的高度，并且将高度限制信息编入机载导航数据库。高度限制分为以下方式:最高高度、最低高度、窗口高度、强制高度和推荐高度。如果高度在过渡高度层(TL)以上，则气压高度基准面为标准海平面气压(QNE);如果在过渡高度(TA)以下，则气压高度基准面为修正海平面气压(QNH)。

通常来说，RNP进近均在TA以下飞行，因此气压基准面为QNH面。如图2所示，在RNP程序设计过程中，如果要进行高度限制，通常采用大于等于某高度进行限制，在特殊情况下才会采用小于等于或者强制高度。高度限制信息在RNP进近图以及机载导航数据库中有相应的标定。

在实际飞行运行过程中，根据机场终端区实际飞行及运行情况，空中交通管制员(ATC)可能会发出临时机动飞行指令，飞行机组通过操控航空器来改变飞行高度。如果飞行机组不干预自动驾驶仪，自动驾驶仪将按照导航数据库中设定的程序高度飞行。

3 高度对RNP进近影响分析

3.1 高度误差

在同一机场起飞、着陆的航空器，必须采用相同的气压基准面来测量高度，中国民航规定统一使用本场的QNH面。对于在航路飞行的航空器，由于来自不同的机场，各机场的QNH值可能不同，因此航路飞行的航空器气压基准面统一采用QNE。

气压高度会受到地理位置、地球自转、大气环流、温度、大气压力等多种因素的影响，即使在同一位置(比如机场停机坪)，不同时刻测量的气压高度值可能都不相同。气压高度的基本变化规律是:温度升高，相同气压高度指示航空器实际位置偏高;温度偏低，相同气压高度指示航空器实际位置偏低。温度偏高和偏低的参考值，通常采用ISA分布规律。

民用航空飞行运行中，需要严格控制气压高度的误差范围，以保障飞行及运行安全。控制气压高度误差的主要手段是采用气压补偿和温度补偿的方式，补偿工作由机载大气数据计算机(ADC)完成。现代大中型民用航空运输机几乎都加装有ADC系统，但是绝大部分ADC只具备气压补偿功能，不具备温度补偿功能。因此，即使最先进的机型实施RNP进近，如果不具备温度补偿功能，在飞行运行过程中均必须对运行温度进行限制。

3.2 高低温运行限制

温度变化是气压高度误差的主要误差源。在基于气压高度辅助垂直引导的RNP进近过程中，温度偏差将导致实际飞行航径偏离标称航径。在五边进近过程中，如果实际温度偏离ISA温度，即使在主飞行显示器(PFD)和导航显示器(ND)上显示航空器准确保持在五边标称航径上，但航空器实际已经偏离五边标称航径。在《目视和仪表飞行程序设计》(ICAO DOC 8168)［7］中，对 RNP APCH 运行温度限制进行了明确规定。以五边标称垂直下滑角(VPA)3°为例，为了避免实际下滑角小于2.5°和大于3.5°的情况发生，对于没有温度补偿的航空器在运行时，需要进行运行高低温限制。由于低温会导致航空器实际位置偏低，对飞行安全的影响较大，因此绝大部分机场只作了低温限制而没有高温限制。如果航空器具备温度补偿功能并符合适航要求，则在进近中不受高低温限制。

图3为美国Northwest Florida国际机场16号跑道RNP(GPS)进近图，该进近属于 RNP APCH进近。

图3 RNPAPCH LNAV/VNAV认可的温度Fig.3 RNPAPCH LNAV/VNAV approved temperature

图3 对APV进近作了高低温限制，高温为43℃，低温为－15℃，但是对进行温度补偿的航空器没有温度限制。

3.3 高度交叉检查

为了确保RNP进近过程中气压高度准确可信，必须对气压高度进行交叉检查。对于RNP APCH和RNP AR APCH最后进近阶段，气压高度误差必须控制在标称航径±22 m以内。

交叉检查主要有:左右座气压高度表交叉检查;ILS信号(如有)交叉检查;QNH证实;目视参考检查;无线电高度(如可用)检查等。

3.3.1 左右座检查

RNP进近过程中，在起始进近定位点(IAF)之后、最后进近定位点(FAF)之前，必须对左右座气压高度表进行交叉检查，确保两部气压高度表高度差异控制在30 m以内，否则不能继续进近。

3.3.2 ILS检查

一般情况下如果一条仪表跑道建立了ILS进近能力，通常会优先选择ILS进近。在一个机场新设计RNP程序试飞过程中，如果能够利用ILS信号进行交叉检查，则可以验证RNP程序设计是否合理，同时也可以利用ILS信号对RNP进近中垂直剖面偏差进行检查。

在试飞过程中，可以将左右座PFD和ND仪表显示分别设定为ILS进近显示模式和RNP进近显示模式。如果RNP进近水平和垂直指引符号处于中立位，而ILS航向道和下滑道指引符号没在中立位，则可以认为两者之间的偏差即为RNP的实际航径偏差。当然，前提条件是ILS信号是通过校飞后真实可信的。

3.3.3 QNH 检查

由于机场气象条件变化可能很快，因此航空器在到达FAF之前，机组必须与ATC再次确认本场实时QNH值，以便减少由于QNH设定偏差带来的RNP进近航径偏差。如果预报/设定的QNH值与机场QNH真实值差1 mbar，则带来的高度误差约为9.14 m。如果飞行机组错误设定QNH并且偏差较大，而飞行机组没有发现这一偏差，则可能导致严重的飞行事故。

3.3.4 目视参考检查

在五边进近过程中，如果天气晴好，能见度高，机组可以通过提前建立目视参考来检查气压高度和RNP五边进近航径是否一致。如果机场安装有精密进近坡度指示器(PAPI)，或者目视进近坡度指示器(VGSI)，可以通过观察PAPI/VGSI指示来判断。

如果设计RNP程序标称下滑道为3°并且PAPI/VGSI安装角度也是3°，航空器将处于标称下滑航径上，机组将观测到2红2白灯。如果高于标称航径将看到3白1红或者4白灯;如果低于标称航径将看到3红1白或者4红灯。由于温度将影响气压高度，因此飞行机组在实施RNP进近初期，通过观察PAPI/VGSI来判断进近航径偏差将非常不习惯，需要经过一段时间的运行才能建立正确的情景意识。

3.3.5 无线电高度检查

机载无线电高度表很少在飞行运行中作为主用参考仪表，其根本原因在于无线电高度表测量指示值受到航空器飞行姿态和地面障碍物分布的影响，因此通常在高度低于610 m后才作为参考仪表，在CAT II以上精密进近中可以作为复飞决断的参考仪表。

如果确认某机场五边进近航径下方地势平坦，无线电高度表指示相对较为准确。在这类机场实施RNP进近，如果没有ILS信号并且五边能见度也不好，可以使用无线电高度表对RNP进近的实际航径进行辅助交叉检查。

4 试飞QAR数据分析

QAR是现代大中型民航运输飞机上要求必须加装的数据记录仪，目前可以记录数百个飞行数据［8］。航空公司和民航相关管理部门利用QAR数据可对航空公司飞行机队状态、飞行品质等进行监控，是航空公司和民航主管部门进行飞行运行监督和检查的重要依据。容量为512M的QAR可以记录时长达1800 h、数百个机载传感器的数据，基本涵盖飞行运行品质的绝大部分参数。

在新设计RNP程序试飞后，航空公司或相关单位可以依据试飞QAR数据，对本次试飞效果进行评估，查找可能存在的潜在问题，并责成相关部门进行整改。以下分析过程中，使用的数据为某机场RNP APCH程序试飞QAR数据，包含了五边进近水平位置、高度等信息。图4为分析中使用的部分QAR数据。

图4 部分试飞QAR数据Fig.4 Part of flight test QAR data

4.1 试飞五边航径分析

从本文分析可以看出，RNP APCH使用气压高度对五边进行垂直引导，五边垂直航径控制将受到包括气压高度误差在内的多方面因素影响。通过对试飞QAR数据分析，不但可以验证气压高度误差影响，还可以发现导航数据库(NavDB)编码的完好性及程序可飞性等问题。

为便于直观分析和研究，本文以下数据是经过处理后的QAR数据。数据统一到同一坐标系，横轴为飞机距跑道入口(THR)水平距离(x)，纵轴为修正海平面气压(QNH)高度(H)。

在以下分析中，图中的实线表示导航数据库中定义的五边进近航径剖面(从FAF到MAP点);“×”虚线表示气压高度航迹剖面;“·”虚线表示无线电高度航迹剖面。如图5所示，利用QAR数据可以计算出五边气压高度航径下降梯度为5.12%，下滑角(VPA)为2.93°。而从图6中可以看出，导航数据库编码表中定义的VPA为3.00°。这两个下滑角本来应该一致，该程序存在差异的主要原因在于导航数据库中高度编码时采用百英尺取整。

图5 五边气压高度拟合航径Fig.5 Final segment baro-altitude fitted path

图6 导航数据库最后进近段编码Fig.6 Final segment coding schedule of NavDB

4.2 低温试飞数据分析

要获得试飞航空器实际位置和垂直航径，不能使用气压高度，必须使用真高，但是真高很难获取。本次试飞机场为河流冲击平原，五边航径下方地势平坦开阔，在这一运行环境特征下，可认为五边进近无线电高度约等于真高。

本次进近预报机场场面温度为－8℃，属于低温条件运行。如图7所示，在低温条件下的试飞航径中间进近最后阶段高度低于标称航径高度。随着高度的下降，距跑道入口越来越近，两种航径的差异越来越小。

图7 五边无线电高度拟合航迹Fig.7 Final segment radio altitude fitted path

真高拟合航径与气压高度拟合航径对比，下降梯度分别为4.87%和5.12%，相应下滑角分别为2.79°和 2.93°，与标称航迹 5.10% 下降梯度和2.92°的下滑角相差较大。这一结论再次验证了温度对RNP APCH程序飞行的影响。

4.3 QNH拨正影响

中国民航局规定，在民用机场飞行运行中的过渡高度(TA)以下，气压高度基准面使用QNH。在机组设定气压高度基准面的过程中，如果设定QNH值有误差，将导致测量气压高度错误，设定值偏大则测量气压高度偏高，设定值偏小则测量气压高度偏低，设定误差多大则对应的气压高度误差就有多大。

QNH设定误差主要来源于以下三个方面:机场预报QNH与真实值存在差异;机场QNH变化过快;QNH值收听或设定错误。为了避免这些情况的发生，除要求机场预报准确QNH值外，在到达FAF点之前，机组必须再次与ATC确认本场QNH值，检查QNH设定是否正确。

图8为QNH拨正值错误进近航径。

图8 QNH拨正值错误进近航径Fig.8 Final path in the case of QNH setting wrong

从图8可以看出，五边开始下降点高度(参考无线电高度)比标称 FAF高度低，同时复飞点(MAPt)高度已经快接近跑道入口标高。通过检查QAR数据中该次进近QNH设定值，发现本次进近QNH值设定错误，因此出现进近失败。由于本次RNP APCH程序试飞天气条件好，能见度高，试飞机组能掌控飞行状态，因此QNH设定错误没有影响安全。但是，在实际飞行运行过程中，严厉禁止错误设定QNH值。如果在低能见度条件下错误设定QNH值，可能会导致严重的飞行事故。

5 结束语

RNP进近的关键阶段是五边进近阶段，该阶段主要依据气压高度对航空器来实施垂直引导。如果气压高度存在误差，将影响飞行安全;如果实际温度并非ISA温度，即使飞行指引显示航空器无垂直偏差，航空器的实际位置也会因温度偏差而偏离标称五边航径。为了避免出现严重偏差影响飞行安全，对RNP进近(包括RNP AHCH和RNP AR APCH)运行必须进行温度限制，在进近过程中必须采用其他方式进行交叉检查，确保进近安全。

［1］ 中国民用航空局.中国民航基于性能的导航实施路线图［R］.北京:中国民用航空局，2009.

［2］ 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.

［3］ 张光明.“北斗”卫星导航系统在民航的应用前景［J］.国际航空，2012，12(4):46-48.

［4］ 国际民航组织.ICAO DOC 9613 基于性能的导航(PBN)手册［S］.加拿大蒙特利尔:国际民航组织，2008.

［5］ 张光明，张飞桥.导航性能对PBN运行的影响［C］//第30届中国控制会议论文集.烟台，2011:5568-5573.

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

［7］ 国际民航组织.ICAO DOC 8168-2 目视和仪表飞行程序设计准则［S］.加拿大蒙特利尔:国际民航组织，2007.

［8］ 中国民用航空局飞行标准司.AC-121/135-FS-2012-45飞行品质监控(FOQA)实施与管理［S］.北京:中国民用航空局飞行标准司，2012.