谷润平 田琳琳 李 娜
(1. 中国民航大学空管学院,天津 300300;2. 中国民航科学技术研究院,北京 100028)
民用飞机RNP AR能力的适航审定标准对比研究
谷润平1田琳琳1李 娜2
(1. 中国民航大学空管学院,天津 300300;2. 中国民航科学技术研究院,北京 100028)
介绍了基于性能导航(Performance Based Navigation, PBN)的相关概念及适用范围,以及要求特殊授权的所需导航性能(Required Navigation Performance Authorization Required, RNP AR)的发展现状、涵义,并以此为理论基础,研究中美欧相关适航规章的内容,对比分析中、美、欧咨询通告之间存在的差异性,总结适用于我国民用飞机RNP AR运行的适航标准。
基于性能导航;适航审定;对比研究;适航标准;导航能力
基于性能导航(Performance Based Navigation,PBN)是指以沿空中交通服务航路运行、实施仪表进近程序或在指定空域运行的航空器性能要求为基础的区域性导航,是区域导航(Range Navigation,RNAV)和所需导航性能(Required Navigation Performance,RNP)的总称。航空器飞行的传统导航是指定特定的导航设备,RNP是一种新的导航方式,它结合机载导航设备要求航空器在规定空域内运行所需要的导航性能精度的描述,RNP的类型根据航空器至少95%的时间能够达到预计导航性能精度的数值来确定。
为了在全球范围内统一标准,从洋区到进近所有飞行阶段都指定了导航规范。每一导航规范都有一个固定代号,如:RNP-4,Basic RNP-1,RNP APCH,RNP AR APCH,每个代号中数字代表95%总飞行时间需要保持的最小横向导航精度(单位:海里(nmile)),每种导航规范对应不同的导航精度,将其用RNP-XX命名,其中XX就是代表导航精度(单位:nmile)。其中,RNP-4的导航精度为4nmile,表示为RNP-4,Basic RNP-1的导航精度为1nmile,表示为RNP-1,RNP APCH主要包含1nmile,0.3nmile两种导航精度,表示为RNP-1和RNP-0.3,RNP AR APCH主要包含0.3nmile,0.1nmile两种导航精度,表示为RNP-0.3和RNP-0.1,导航规范在不同飞行阶段的导航精度的应用见表1。
表1 RNP导航运行规范示意表
要求特殊授权的所需导航性能(Required Navigation Performance Authorization Required, RNP AR)进近程序,需要中国民航局特殊授权批准,主要依靠卫星定位系统的精确导航技术,飞行员不必过多依赖地面导航设施即能沿着精准定位的航迹飞行,使飞机在能见度极差时也可安全精确地着陆。通常该程序只对特定航空公司的特定机型适应。但近期中国民航局也积极推进RNP AR程序的公共化,如在中国的四川九寨机场开放使用。
国外在PBN适航规范方面开展了一些研究工作,国际民航组织(ICAO)于2007年3月发布了《PBN手册》,对PBN导航方式的实施提供实际指导,及RNP和RNAV适航性作具体介绍[1];美国联邦航空管理局(FAA)于2007年发布了AC 90-100A《终端区及航路区域导航(RNAV)运行》为美国的RNAV航路、仪表离场程序(DP)和标准进场程序(STAR)提供了运行和适航指导[2];FAA 于2014年发布了AC 20-138D《位置和导航系统的适航批准》,为安装的位置和导航设备提供了适航批准指导[3];FAA 于2011年发布了AC 90-101A CHG 1《RNP AR程序的批准指导》为要求授权的特殊航空器和机组(SAAAR)实施RNP的RNAV仪表进近程序(航图上为“RNAV(RNP)RWY XX”)的航空器营运人提供适航和运行批准指导[4];欧洲航空安全局(EASA)于2009年发布了AMC 20-26《RNP AR运行的适航批准和运行标准》,提供了RNP AR的适航审定符合性方法,主要涉及到机载设备的适航标准[5];EASA于2009年发布了AMC 20-27《RNP APCH适航批准和运行标准》,明确了在指定的欧洲空域安全运行RNP APCH的运行标准[6]。对于适航分析方面,Lee Nguyen总结了前视式湍流和风切变雷达的问题以及这些系统与相关的适航设计批准[7];J. F. LEWIS,B.Sc.(Eng.)等人基于飞机电气系统研究了其适航标准和可靠性,评估了对飞机造成无意识威胁的相关操作的原因,并给出解决办法及措施[8];Croft,John基于高级所需导航性能(A-RNP)与FAA RNP对比分析,重点介绍基于全球定位系统(GPS)的A-RNP的导航能力[9]。
我国在适航标准制定、适航管理等方面发展较落后,主要是依照FAA的适航批准建立的。相关的适航标准主要有:AC-91-08《RNAV5运行批准指南》、AC-91-FS-2009-12《在航路和终端区实施RNAV1和RNAV2的运行指南》、AC-91-FS-2010-01R1《在终端区和进近中实施RNP的运行批准指南》,是有关RNP与RNAV的适航运行准则,没有涉及到RNP AR适航标准。民航局于2006年发布的《要求授权的特殊航空器和机组(SAAAR)实施公共所需导航性能(RNP)程序的适航和运行批准准则》(AC-91-FS-05)[10],给出了RNP AR适航标准的运行准则,但近10年来内容未作修改,不能与PBN近年来的发展和变化程度相匹配。在PBN运行与适航技术研究方面,郑智明,叶军晖提出了一种适用于RNP AR运行能力的适航验证方法[11];钟育鸣,张旭婧介绍航空公司获得RNP AR运行批准需要做的几项技术工作[12];陈舒文,葛红娟等人以АП-29(R2003)《俄罗斯旋翼航空器适航标准》为研究对象,从АП-29(R2003)的结构、条款编号、内容等方面与CCAR-29《运输类旋翼航空器适航规定》进行比较[13]。
中国民用航空局(CAAC)在ICAO的建议下,在全国范围推广PBN导航技术,尤其在西部高原/高高原机场,广泛实施RNP AR 技术。综上,有关RNP AR适航标准的研究较少。本文介绍了RNP AR发展现状、涵义,研究了中国、美国和欧洲3个适航规章的内容,主要针对有关RNP AR能力的适航标准进行对比分析,旨在建立适合国产飞机的适航审定要求。
RNP AR是一种高性能的RNP程序,程序不仅提供水平引导,同时提供垂直引导。RNP AR程序所提供的水平保护区窄,没有额外的缓冲区,其次RNP AR程序能够提供固定转弯飞行模式(沿固定的转弯弧度或坡度转弯),所以保护区的范围较传统程序保护区及飞行模式灵活的多。
RNP AR APCH从机载设备到机组训练要比RNP APCH严格,而且需要每架飞机每个机组进行审定,一般是公司自有的程序,导航规范一般0.3以下。一般用于地形复杂、空域受限且使用该类程序能够取得明显效益的机场,精度值一般在0.3至0.1之间。RNP AR APCH只允许使用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)作为导航源,应对实际能够达到的RNP精度进行预测。该规范不包括相关的通信和监视要求。目前,我国拉萨、林芝、丽江等机场已应用此导航规范。
适航标准是经过长期工作经验的积累,吸取历次飞行事故的教训,经过验证或论证及公开征求公众意见不断修订而成。目前,适航标准中较有影响的地区有美国、英国和欧洲。我国主要参照FAA颁发的适航标准,并结合国情而制定,作为CCAR的组成部分。
咨询通告是适航当局为便于申请人理解和执行适航规章的特定条款或为便于申请人对条款理解和答复的一致性而编写的说明和指南,具有很强的实用性。中国、美国和欧洲对RNP AR运行都颁布了相应的适航标准准则,为要求授权的特殊航空器和机组实施所需导航性能提供相应的批准准则,具体规章及名称见表2。
CAAC AC-91-FS-05是为要求授权的特殊航空器和机组(SAAAR)实施公共所需导航性能(RNP)的区域导航(RNAV)仪表进近程序的航空器营运人提供适航和运行批准指导的。提供了营运人实施公共RNP SAAAR仪表进近程序要求的符合性方法。该咨询通告适用于CCAR91《一般运行和飞行规则》、CCAR121《大型飞机公共航空运输承运人运行和各审定规则》、CCAR135《小型航空器商业运输运营人运行合格审定规则》的航空承运人和营运人。
EASA AMC 20-26为实施所需的导航性能授权(RNP AR)适航审批申请人提供了一种符合性方法以及获得操作批准的适用标准,它涉及到在欧洲空域背景下实施区域导航[12]。
FAA AC 90-101A CHG 1为航空器运营人实施RNP AR运行的区域导航提供适航性和运行批准指导材料[13]。
EASA颁布的AMC 20-26提供了RNP AR的适航审定符合性方法,主要涉及到机载设备的适航标准,主体内容与ICAO《PBN手册》相一致,与CAAC AC 91-FS-05和FAA AC 90-101 CHG 1相比,大部分内容一致,但部分章节存在差异。图1为AMC 20-26和AC 90-101 CHG 1及AC-91-FS-05的内容结构差别(其中,AC-91-FS-05和AC 90-101 A CHG 1二者章节结构相似):
下面将对上述中美欧RNP AR规章各章节一一横向比较其存在的差异,并对比分析各自的合理和存在缺陷的内容,完善国内适航批准准则的建立程序。
主要提供了营运人实施公共RNP SAAAR仪表进近程序要求的符合性方法。除遵循本咨询通告所述的方法外,营运人也可采用中国民用航空总局认为是可接受的其他方法。本部分的主要差异如下。
2.1.1 局方的初始批准
差异:AC-91-FS-05及AC 90-101 A CHG 1对航空器资格和初始批准建议的运行文件和运营人的批准做了详细的要求,AMC 20-26的相关内容没有专门列在“批准”的条款下,而是在“飞行运行文件”中列出。
对比分析:相较之下,中美的资讯通告(AC)更便于查阅,以满足其提出的要求,以便更好为满足相关规章服务。AC-91-FS-05规定,任何具有相关运行批准(运行规范(OpsSpec)或授权信(LOA))的营运人可实施特定的RNP SAAAR仪表进近程序,在该规章附录7中列出了营运人在申请运行时应递交的文件检查单和清单,所以其内容较详细,针对性更强。
2.1.2 概述
差异:AC 90-101A CHG 1在AC-91-FS-05的基础上增添了审查要求,AC-91-FS-05要求局方应按照该规章附录7的要求进行审查和验证。在AC 90-101 A CHG 1中,增添了需要符合该规章附录的相关要求,而且飞机制造商提供的和FAA所接受的航空器资格文件和运行文件便于运营商对附录7中所列条项进行准备,并协调FAA总部(HQ)将按照附录7 图中所示申请流程。
对比分析:相比中、欧二者更加详细,清晰,对于使用AC的人员,增加了便捷性,可以按照流程图及其对应描述容易了解到申请内容的具体程序,以及所需相关事宜。 (其中,附录的结构做了一些改动,把一些内容的顺序进行微小的调动。在AC 90-101 A CHG 1中添加了RNP AR申请流程图,并对流程图做了相关描述。)
2.1.3 营运人的批准
差异:AC 90-101 A CHG 1删除原咨询通告中“试用期结束和完成规定的进近次数后,局方将评审RNP SAAAR监控大纲的报告,并决定是否取消临时批准。”的要求。AC 90-101 A CHG 1注释3中添加了,与FAA 总部协调考虑运营商要求减少临时授权的需要。
对比分析:这两方面均放宽了对运营商授权临时批准的相关要求,可以适用于更多类型民用航空器的临时批准。对于航空器运营商而言更为实际合理。
这一节主要概述了RNP SAAAR进近程序的关键特征,并介绍了RNP进近运行的类型。这3个规章间存在的差异如下。
差异1:AC 90-101 A CHG 1 较于另两部AC描述更详细,说明由美国FAA 8260.58A《美国PBN仪表程序设计标准》来定义RNP AR的程序设计标准,并对进近图样例分别阐述,其中的图1是以固定半径飞行这些航段的RNP AR进近程序;其中的图2是在复飞过程中RNP值小于1的以固定半径飞过这些航段的RNP AR进近程序。
对比分析:对于使用者,无论对PBN导航方式的了解程度如何,均可更好地理解不同类别的RNP AR仪表进近程序。
差异2:此处内容未作过多改变,只是将原来的顺序做了调整,将原有内容放到注释中。
对比分析:AC 90-101 A CHG 1更方便查阅。
该部分描述了RNP SAAAR进近要求的航空器性能与功能标准。申请人可通过型号合格审定或补充型号合格审定来符合本附录要求,并在飞机飞行手册(补充)中指明。三个规章间存在的差异如下。
2.3.1 引言
差异:AC 90-101 A CHG 1引言中增添要求,除了上述文件中的具体RNP AR准则,飞机还必须遵守AC 20-138 D《位置和导航系统的适航批准》。
对比分析:AC 90-101 A CHG 1要求更高。
2.3.2 性能要求
差异1:3个规章对于航径定义是相同的,对于水平精度,AC 91FS-05和AC 90-101 A CHG 1只是给出了参考依据:要求航空器应符合航空无线电技术委员会(RTCA)/DO-236B第2.1.1条的规定;AMC 20-26详细描述了水平精度的要求:在RNP进近中机载导航系统的水平航径误差须优于至少等于95%飞行时间的RNP运行误差。
对比分析:虽然在内容上差异不大,但是对于使用该手册的人员,显然AMC更加具体详细,便于申请人理解。
差异2:水平误差取决于导航系统总的误差(包括航径定义误差、位置预测误差、显示误差和飞行技术误差)。垂直误差主要内容是一致的,但AMC中增加了高度测量系统的误差要求,即,进近构型的99.7%的高度测量系统误差须不大于:ASE = -8.8×10-8×H2+6.5×10-3×H+50(ft),其中H为航空器的几何高度。中、美的规章中在“3.RNP SAAAR一般要求”中的测量误差章节中有相同的内容。
对比分析:该处只是在内容的顺序及结构上做了微小的变动,而且对于内容并无差异,对使用人员也无影响。
差异3:AC-91-FS-05和AC 90-101 A CHG 1对于系统监控有明确要求:RNP的关键要素是进近的RNP要求、航空器导航系统监视其实际导航性能的能力,以及为飞行员提供识别在运行中是否满足运行要求的能力。EASA AMC 20-26是在“导航性能”章节中提到系统应该有监控水平导航性能的能力(如位置不确定性估计、估计位置误差、实际误差等),要求系统有为飞行员提供识别在运行中是否满足运行要求的能力。
对比分析:均在AC不同位置提出识别是否满足运行要求的能力。而对于垂直导航,EASA可以通过系统垂直监控和告警来实现监控,或者通过一系列的显示来实现(如气压高度显示、垂直偏移显示等)。具体说明显示的设备以及监控告警方式,系统监控性能方面,EASA的内容优于中美颁发的资讯通告相关标准。
2.3.3 RNP SAAAR一般要求
2.3.3.1 差异1
AC-91-FS-05和EASA中为GPS,AC90-101 A CHG 1为GNSS,并对GNSS进行介绍。在注释中对于水平保护限值(Horizontal Protection Level,HPL)术语的解释所参阅的文件有所增加,由原来的RTCA/DO-229C扩展了两部,分别为AC 20-138 D和附录1,也涉及对全球定位系统的最低运行性能标准和广域增强系统机载设备这些术语的解释。
对比分析:AC 90-101 A CHG 1更适用于现在航空发展,RNP AR是高精度的导航方式,GNSS也是目前导航定位精度最高定位系统,并且注释说明也更全面。
2.3.3.2 差异2
AC-91-FS-05和 AMC 20-26为惯性基准系统(IRS),AC 90-101 A CHG 1为惯性基准元件(IRU)的描述。IRS是由IRU、方式选择面板(MSU)、控制显示组件(CDU)组成。AC 90-101 A CHG 1添加相应说明,要求IRU必须满足美国联邦法规(Code of Federal Regulations,CFR)121部附录G中的标准,根据方法中添加的RNP -1运行批准演示改进的惯性性能。
对比分析:AC 90-101 A CHG 1的要求更高,但就目前我国的发展来看,IRS被广泛使用,AC-91-FS-05和 AMC 20-26更适用于中国。
2.3.3.3 差异3
AC-91-FS-05和 AMC 20-26只要求申请人按照局方要求完成演示,而AC 90-101 A CHG 1要求申情人必须按照AC 120-29 A[14]的5.19.2.2和5.19.3.1完成演示。
对比分析:对于申请人,AC 90-101 A CHG 1更为明确,便于使用。
2.3.3.4 差异4
AC-91-FS-05、AC 90-101 A CHG 1和EASA AMC 20-26对使用小于RNP-0.3的要求主要内容大体一致,但AMC更严格。AC规定在固定半径转弯(RF)航段复飞,通过激活起始复飞(TOGA)或其它手段时,飞行引导方式应保持在水平导航(LNAV)模式,以保持持续的航迹引导。如果航空器不能提供这种能力,应用下列要求:如果航空器支持RF航段,TOGA后的水平航径(RF航段)结束点与决断点高度(DA)之间最小50s的直线航段)必须在通过DA的直线航段定义的航迹的l°范围内。之前的RF航段转弯可以是任意角度,半径可以小达1nmile,可采用符合进近环境和转弯半径的速度。飞行机组必须能在400ft将自动驾驶仪或飞行指引仪与区域导航系统耦合起来(接通LNAV)。
对比分析:而AMC中没有该内容,即要求航空器必须具有此能力,故要求更高。但是更高的要求带来的不足就是,不是所有民机都可以满足该要求,尤其对于支线飞机、小飞机所能达到的功能要求不全面,就要给出具体的要求,不具备的设备或功能也给出相应的建议,才能更好地达到资讯通告应起到的实用性。当不满足时给出相应的条件,更符合多种情形,对于适航标准的规定也更为合理。
2.3.3.5 差异5
AC 90-101 A CHG 1要求申请人应记录设计符合这种影响的系统,而这个文件可以消除针对飞机运行缓解的应用程序的需要。与此同时,对于垂直引导的缺失,认为是次要的故障条件,因为在引导显示失去时,飞行员可以采取行动阻止下降或爬升。
对比分析:AC 90-101 A CHG 1与中国和欧洲相比,内容上更充分和详细;不仅降低了原来有关垂直引导缺失的条件,并给出了可以采取的措施,更符合操作人的需求。
2.3.3.6 差异6
中美AC规定在RF航段复飞(通过激活TOGA或其它手段)时,飞行引导方式应保持在LNAV模式,以保持持续的航迹引导。如果航空器不能提供这种能力,应用下列要求:如果航空器支持RF航段,TOGA后的水平航径(RF结束点与DA之间最小50s的直线航段)必须在通过DA的直线航段定义的航迹的1°范围内。之前的RF航段转弯可以是任意角度,半径可以小达1nmile,可采用符合进近环境和转弯半径的速度。飞行机组必须能在400ft将自动驾驶仪或飞行指引仪与区域导航系统耦合起来(接通LNAV)。
对比分析:与第4点类似,CAAC AC-91-FS-05和EASA AMC 20-26对使用小于RNP-1的要求主要内容大体一致,但AMC更严格。这是由于AMC中没有该内容,即要求航空器必须具有此能力,故要求更高。
2.3.3.7 差异7
使用小于RNP-0.3的要求说明中,失去GNSS的情况,AC 90-101 A CHG 1中添加了详细的注释,其它2个规章中没有。在GNSS丢失事件中(即,当得知RNP能力丧失发生飞机到达决断点高度(DA)之前),飞机离开最后进近阶段的障碍物余隙容积的条件概率应不大于0.001。这将确保当失去GNSS时,1 000架飞机中有999次可以完成RNP AR进近程序。此外,飞机离开复飞障碍物间隙容积的条件概率应小于0.01。这将确保100架飞机有99次可以从失去GNSS时,以最低的最小值完成复飞程序。由于在正常天气条件下,执行复飞是不太可能的,因此该条件概率没有美国要求的严格。
对比分析:中国应该汲取该处内容,安全是航空业的重中之重,对于失去GNSS的情况应作详细说明并给出相应措施。
2.3.3.8 差异8
复飞小于RNP-1的进近要求中,AC 90-101 A CHG 1同样对失去GNSS的复飞进行了详细的注释说明。
对比分析:该点与上一内容分析相似。
该章节主要提供了验证RNP SAAAR进近相关导航数据有效性的营运人程序指南。其间存在的差异及分析主要如下。
2.4.1 引言
差异:AC 90-101 A CHG 1要求飞机数据供应商(例如,飞行管理系统(Flight Management System,FMS)公司)必须有Type2验收通知书,给飞机运营商的供应商提供数据也必须具备Type1或Type2验收通书其中一种。
对比分析:相比其它2个规章,AC 90-101 A CHG 1数据提供标准更高,要求严格,为民机的安全更具保障。
2.4.2 飞行中应考虑的因素
差异:AC-91-FS-05,实施一台发动机失效近进程序和制动发动机失效简要程序的资格方面的指南包含在资讯通告中AC-FS-2000-2《关于制定起飞一发失效应急程序的通知》中。而在AC 90-101 A CHG 1中可以在AC 120-91《机场障碍分析》中,找到关于起飞一发失效近进程序的准则,AMC 20-27没有提及。
对比分析:比较之下,中美更为完善,可以在一发失效的情况发生时,有相应的处理解决依据。
根据对AC-91-FS-05、AC 90-101 A CHG 1和AMC 20-26逐节对比,主要存在的差异可分为以下几类:
结构内容方面。其中,中美结构大体相同,欧洲的差异较大,因为我国的CAAC主要参照FAA颁布的标准。
对RNP AR运行的设备要求方面。诚然,美国相比中国的适航标准,要求更为具体详细,并对所述条件做详细解释,对于特殊情况也给出了相应措施;欧洲的AMC一般只提出要求,并无具体阐述,要求更高。然而,AMC 20-26也有叙述全面的部分,例如对航径的定义,AMC更加具体详细,便于申请人理解。
规章使用的便利性。例如,附录1引言中,AC 90-101 A CHG 1更适合申请人操作查阅。
针对国内AC的制定提出以下建议,适航标准的特性之一就是具有实用性,建立适航标准应该符合本国家航空业的发展状况,内容上应该以中国民用飞机的实际情况为前提,结构上应该从营运商使用角度出发,便于阅览参考。标准越高固然有其优势所在,但是,就中国民用飞机的现状来看,并没有达到国际最高的标准水平,因此,制定合理的适航标准更有利于适航审定过程,也更利于保证民航的安全。
[1] Doc 9613-AN/937 Performance-based Navigation(PBN) Manual [S].
[2] AC 90-100A Terminal and En Route Area Navigation(RNAV) Operations [S].
[3] AC 20-138D Airworthiness Approval of Positioning and Navigation Systems[S].
[4] AC 90-101 A CHG 1 Approval Guidance for RNP Procedures with AR Rotor Craft[S].
[5] AMC 20-26 Airworthiness Approval and Operational Criteria for RNP Authorization Required (RNP AR) Operations [S].
[6] AMC 20-27 Airworthiness Approval and Operational Criteria for RNP APPROACH (RNP APCH)Operations Including APV BARO-VNAV Operations [S].
[7] Lee Nguyen. Technical Standard Order Authorization and Airworthiness Approval Considerations for Aircraft Weather Radar Systems[C]. 31st Digital Avionics Systems Conference,2012.
[8] Lewis J F, Lloyd E. The airworthiness and reliability of aircraft electrical systems[J]. Proceedings of the IEE - Part A: Power Engineering,1956,103(1):34~49.
[9] Croft,John. The Next Big Thing in Performance-Based Navigation[J]. Aviation Week & Space Technology,2016(5):21~25.
[10] AC-91-FS-05特殊航空器和机组(SAAAR)实施所需导航性能(RNP)程序的适航与运行批准准则[S].
[11] 郑智明,叶军晖. 民用飞机RNP AR适航验证方法研究[J]. 航空维修与工程,2014(6).
[12] 钟育鸣,张旭婧. 航空公司建立RNP AR运行能力的关键工作[J]. 中国民用航空,2014(11).
[13] 陈舒文,葛红娟. 中俄运输类旋翼航空器适航标准比较研究[J]. 中国民航大学学报,2016(4).
[14] AC 120-29 Criteria for Approval of Category 1 and Category 2 Weather Minima for Approach [S].
T-65 [文献标识码] C [文章编号] 1003-6660(2017)04-0024-07
10.13237/j.cnki.asq.2017.04.007
[收修订稿日期] 2017-05-17
国家863计划基金项目(2014AA110501);国家自然科学基金项目(U1533116,21407174);航空科学基金项目(20140267002)
(编辑:劳边)