新支線飛機RNAV飛行操作程序的設計與驗證①

劉波 李建國 貝亮

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.007

摘 要：區域導航（RNAV）是一種先進的飛行運行方式，具備RNAV能力的民用飛機可以充分發揮機載設備性能，降低飛機對導航臺的依賴，減少飛行時間，降低燃油消耗，減小空管負擔，增加空域容量，提高航空公司的運行效益。該文結合新支線飛機為滿足交付用戶運行RNAV的需求，通過對設計RNAV程序和驗證RNAV程序進行了概括性的論述，探討了如何編制質量合格和滿足適航運行要求的RNAV飛行操作程序，希望對后續其他大型客機的運行操作程序編制具有借鑒和指導作用。

關鍵詞：區域導航 RNAV 飛行操作程序 程序設計 驗證

中圖分類號：R95 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0007-05

國際民航組織（ICAO）提出了基于性能的導航（PBN）的概念和標準，作為飛行運行和導航技術發展的基本指導準則。PBN將一系列不同的導航技術應用歸納到一起，涵蓋了從航路到進近著陸的所有飛行階段。其目的是為了充分利用現代航空器機載設備和導航系統，提供全球一致的適航要求和運行批準標準。RNAV1和RNAV2是ICAO PBN導航技術應用的一種，一般用于有雷達監視和直接陸空通信聯系的航路和終端區飛行。RNAV1和RNAV2對航空器的適航要求是相同的，對運行要求有所區別。

1 RNAV概述

區域導航（RNAV）是一種先進的飛行運行方式，它可以使航空器在導航信號覆蓋范圍之內，或在機載導航設備的能力限制之內，或二者的組合，沿任意期望的航徑飛行[1]。因此它可以充分發揮機載設備性能，減少飛行時間，降低燃油消耗，降低飛機對導航臺的依賴，減小空域管理的負擔，增加空域容量，提高運行效益。正因為RNAV的這種先進性，使得它對運行條件、機載設備、運行程序和參與運行的人員都有比傳統導航方式較高的要求。因此，航空公司實施RNAV運行，必須按照局方的相關咨詢通告的要求進行適航和運行評估，以確認自己在設備和人員方面具有實施這一運行的能力，并通過局方審定，獲得適航和運行批準，并附相應的運行規范。

根據中國民航《基于性能的導航實施路線圖》，我國在中期（2013—2016）實現PBN全面應用，遠期（2017—2025）實現PBN與通訊導航監控/空中交通管理的系統整合[2]。根據中期的運行目標分析，新研制的民用飛機必需具備航路RNAV-2或RNP-2，終端區RNAV-1或RNP-1，使用BARO-VNAV的RNP進近能力。

作為我國第一款新研制的渦扇噴氣式支線飛機——新支線飛機在TC（型號合格證）取證期間，飛機進行了相關設備及飛機功能的驗證，但是還不能滿足航空公司進行RNAV運行時的操作程序要求。為滿足這一要求，需要根據機型特點，組織相關人員對航空公司的運行要求和飛機系統進行分析，編寫RNAV飛行操作程序并進行RNAV試飛驗證。

1.1 RNAV和傳統導航方式的區別

傳統的飛行程序都是基于地面導航臺站運行，需要逐一飛過導航臺。飛行具有如下一些難以克服的缺陷：航段繁多，航線無法最優化；無法實現空間利用最大化；臺站維護成本高且無法實現高精度導航。

RNAV飛行操作程序則是操作飛機通過星基導航來進行航跡規劃，通過飛越航路點飛行。它完全不受任何地面導航設施的影響，能夠有效突破空域限制，及時規避障礙物，可以一種更加靈活而安全的方式進行飛行。RNAV飛行操作程序使用的導航源定位精度一般非常高，而且定位性能基本恒定。因此使用RNAV程序不但可使飛行距離縮短，經濟效益明顯提升，還可以輕松地實現平行航路的設置，實現有限空域利用的最大化。同時，RNAV飛行航跡更加簡潔，可以有效減輕飛行員和管制員的負擔。具備RNAV運行能力的飛機將會大大降低飛機對導航臺的依賴，將會顯著減少地面設施成本。RNAV和傳統導航方式示意圖如圖1所示。

1.2 RNAV飛行操作程序和飛行程序的區別

程序是為達到特定目的而制定的，具有固定順序的動作和/或決策的邏輯序列。對于民用飛機主制造商來說，具體機型的飛行操作程序就是機組操作飛機最佳實踐的組合，是用于向用戶提供的標準操作依據。這里需要重點說明一下飛行操作程序設計和飛行程序設計的區別。

飛行機組操作程序設計開發的目的是為機型提供安全、準確、高效和方便的飛行操作說明，為飛行機組在飛機正常、非正常及緊急情況下操作飛機執行飛行任務提供指導。操作程序開發的依據是飛機（尤其是駕駛艙）設計理念，各系統設計原理，相關民航規章要求類似型號機組操作程序，航空事故調查數據，制造商和運營人政策等[3]。該文所提的飛行操作程序正是針對飛機主制造商的飛機機型特點量身定做的操作程序。

而飛行程序設計就是為航空器設定其在終端區內起飛或下降著陸時使用的飛行路線[4]，是為機場和導航設施的建設工程提供必需的和工程主要決策依據的航行技術服務，以及為空中交通運輸和空中交通管制服務提供法定的飛行和管制必需的技術依據[5]。設計飛行程序的目的是保證航空器在機場區域內按規定程序安全而有秩序地飛行，避免在起飛離場和進近著陸的過程中，航空器與地面障礙物、航空器與航空器之間相撞。

由上述的定義描述可知，飛行操作程序與飛行程序的使用方還是有很大區別的，飛行操作程序主要是提供給航空公司的飛行員使用，飛行程序則是具有通用性，除了可以供飛行員參考外，更主要的是提供給機場以及導航設施建設方，以及空中交通管制方使用和作為技術服務依據。該文所提的RNAV程序設計僅僅是指供飛行員直接操作飛機使用的飛行操作程序。

2 RNAV飛行操作程序的設計

為編制滿足新支線飛機特點和航空公司運行要求的RNAV程序，根據《在航路和終端區實施RNAV1和RNAV2的運行指南》中的相關要求，對新支線飛機的RNAV程序初步設計為如下4個部分：第一部分需給出RNAV運行時的最低設備要求；第二部分給出RNAV運行系統精度的檢查方法；第三部分給出RNAV運行時機組正常操作程序（飛行前、起飛后、進近準備）；第四部分給出RNAV應急程序。

2.1 RNAV對機載設備要求

RNAV有對機載設備的最低要求。RNAV涉及的航電系統包括飛行管理系統（FMS）、全球定位系統（GPS）、測距器（DME）、大氣數據系統（ADS）、慣性基準系統（IRS）、顯示系統等多方面。

對新支線飛機來說，FMS為RNAV的計算核心。在飛機進行RNAV運行時，必須以FMS作為導航源。FMS接收GPS、DME、ADS、IRS等系統的數據，實時計算位置不確定性估計（EPU）和橫向偏差（XTK），在EPU大于規定的 RNAV值時，提供告警信息。GPS導航模式為飛機進行 RNP運行時FMS最主要、最優先選用的導航傳感器模式。

RNAV飛行中FMS的導航模式優先順序為GPS→DME/DME→IRS。RNAV1和RNAV2運行過程中，如果GPS可用，則主用GPS導航模式，如果GPS導航模式失效，FMS可以使用DME/DME/IRS導航模式。在終端區運行時，當GPS、DME均不可用時，FMS會使用IRS導航模式進行位置解算。

電子飛行儀表系統（EFIS）為RNAV運行時的顯示部件，將顯示RNAV飛行計劃、橫向偏差、飛行階段字符、告警等信息。新支線飛機進行RNAV1和RNAV2運行的最小設備清單，詳見表1。

2.2 RNAV運行系統精度的檢查方法

系統精度檢查，通過按壓駕駛艙中央操作臺上CDU中的PROG按鍵和NEXT按鍵，CDU上將顯示PROGRESS2/2頁面比較EPU值和要求的RNP值。RNAV1要求在95%的飛行時間內，總系統誤差不超過1 NM；RNAV2要求在95%的飛行時間內，總系統誤差不超過2 NM[1]。對于新支線飛機，當AP接通時，總系統誤差等于EPU值；當AP不接通時，飛行員應確定橫向偏差指示器上橫向偏離刻度和與航路或飛行程序的導航精度要求相匹配。

2.3 RNAV運行時機組操作程序設計

2.3.1 飛行前

獲得ATC發布的RNAV程序運行許可。確認導航數據庫是當前可用的-在CDU上STATUS頁面核實日期有效。確認接收到GPS信號，GPS核實可用。初始化FMS位置，并核對位置信息正確。飛行計劃輸入RNAV DP程序，并確認DP程序與航圖描述的航路以及指定的航路一致。無線電導航調諧模式設定為AUTO模式。VOR/DME USE抑制。PF導航源選擇FMS作為導航源。

需要注意的事項：在公布航路上的全部航路點都已加入的前提下，允許根據ATC的許可指令，從數據庫中通過插入或刪除指定的航路點來修改航路。不允許通過人工輸入經緯度坐標或用距離/方位方式輸入或創建一個新的航路點。

2.3.2 起飛后

橫向導航模式（NAV）選擇，自動駕駛儀（AP）按需接通，導航精度檢查——按壓CDU中的PROG按鍵和NEXT按鍵，顯示PROGRESS 2/2頁面比較EPU值和要求的RNP值。這里需要注意的是：飛行員必須在500 ft以下接通橫向導航模式（NAV），建議在條件允許的情況下，盡早接通LNAV。這是新支線飛機的機型特點，必需嚴格遵守執行。

2.3.3 進近準備

飛行計劃輸入STAR程序并確認檢查，PF一側的導航源確認為FMS，自動駕駛儀確認接通，橫向導航模式（LNAV）確認接通，導航精度檢查確認。

2.4 RNAV應急程序

飛行員必須將遇到的任何RNAV能力丟失的情況及時通知ATC，同時報告擬采取的措施。如果不能滿足RNAV運行要求，飛行員必須盡快通知ATC。

一旦出現通信失效，機組應按照公布的通信失效程序繼續執行RNAV程序。應急程序中應給出關鍵設備項失效后的操作程序，例如要給出GPS導航精度降級、FMS失效、FD失效等的處置措施。

3 RNAV飛行操作程序的驗證

3.1 RNAV試飛驗證規劃

RNAV飛行機組操作程序是根據AC-91-FS-2008-09中有關RNAV機組操作程序并結合新支線飛機的實際特點編制而成。根據AC-91-24對飛行操作程序的驗證要求[6]，對編制的RNAV程序進行了如下的試飛驗證規劃，詳見表2。

3.2 RNAV程序驗證流程圖

RNAV程序驗證流程圖如下圖2所示。

3.3 RNAV運行空域總體要求

在終端區（RNAV1）運行時，要求雷達全程有效覆蓋；管制員與飛行員全程通信；有公布的RNAV進場、離場、進近程序；確定和協調該空域的可用性。

在航路（RNAV2）運行時，要求在8 400 m以上；管制員與飛行員全程通信；理論上雷達全程有效覆蓋。

3.4 RNAV飛行計劃

根據驗證規劃，共需試飛3架次，分別如下。

第一段從銀川河東機場起飛降落至蘭州中川機場（RNAV正常程序）。計劃從銀川機場RW21跑道起飛，降落至蘭州機場RW18跑道。共經過5個定位點，375 NM。全程預計1 h左右，整個航路如圖3所示。

第二段從蘭州中川機場起飛降落至西寧曹家堡機場（RNAV正常程序）。計劃從蘭州機場RW18跑道起飛，降落至西寧機場RW11跑道。共經過5個定位點，175 NM。全程預計40 min左右，整個航路如圖4所示。

第三段從西寧曹家堡機場起飛降落至銀川河東機場（模擬導航降級程序）。計劃從西寧機場RW11跑道起飛，降落至銀川機場RW21跑道。共經過7個定位點，485.5 NM。全程預計1 h20 min左右，整個航路如圖5所示。

3.5 執行RNAV真機試飛驗證

起飛前按照RNAV飛行機組操作程序的要求進行飛行前準備。

起飛后，執行起飛機場的RNAV1離場程序。

在航路飛行階段，按照RNAV2飛行過程中需檢查確認CDUPROGRESS頁面上顯示的RNAV/RNP值為2。在RNAV2階段進行導航模式的模擬降級，按照RNAV應急程序的要求，檢查相關告警和導航模式的切換。

進近前按照RNAV飛行機組操作程序的要求進行進近前準備，執行降落機場的RNAV1進場程序，直至截獲盲降LOC信號。

3.6 驗證評估和結論

新支線飛機于2016年6月從寧夏銀川機場起飛，經過銀川—蘭州、蘭州—西寧、西寧—蘭州、蘭州—銀川等4個航段近1 d的飛行驗證，順利完成了RNAV程序驗證試飛任務。此次試飛共驗證完成了RNAV離場、進近、航路和導航性能降級4項RNAV飛行程序任務。其中根據RNAV試飛要求：RNAV1離場和進場程序執行了兩次，RNAV2航路模擬降級程序執行了1次，RNAV2航路正常飛行程序執行了兩次。

機組根據上述驗證情況，及時填寫了程序結論為“通過”的程序驗證記錄單，同時機組根據驗證評述表也給出了RNAV飛行操作程序設計合理的最終評價。至此，標志著設計完成的RVAV飛行操作程序可以加入到飛行機組操作手冊中成為正式可交付用戶使用的運行操作程序。

4 結語

和執行傳統儀表飛行程序的飛機相比，具有區域導航功能并同時提供了RNAV程序的各機型在役飛機，利用先進的RNAV導航方法，可徹底擺脫對地面導航臺的束縛和依賴，航空公司也可靈活地設計基于航路點的公司級飛行計劃，充分利用航線的空域資源，顯著提高航空公司的運行效率，對航空公司的經濟效益和安全性貢獻明顯。該文正是通過開展基于新支線飛機機型特點的RNAV飛行操作程序設計工作并成功組織實施RNAV真機試飛驗證工作，不僅證明了新支線飛機具備RNAV運行的能力，也可向用戶提供能真正用于實際航線運行使用的RNAV飛行操作程序。

參考文獻

[1] 中國民用航空局飛行標準司.AC-91-FS-2008-09在航路和終端區實施RNAV1和RNAV2的運行指南[S].北京：中國民用航空局飛行標準司，2008.

[2] 中國民用航空局.中國民航基于性能的導航實施路線圖[Z].2009.

[3] 姚淵.民用飛機飛行操作程序的開發和驗證[J].民用飛機設計與研究，2015（3）：77-82.

[4] 張凱.淺議飛行程序設計[J].空中交通管理，2006（4）：37-38.

[5] 云蘭鎖.淺議飛行程序設計的標準化管理[J].空中交通管理，1997（4）：8-10.

[6] 中國民用航空局飛行標準司.AC-91-24航空器的運行文件[Z].北京：中國民用航空局飛行標準司，2014.