一種用于民用支線機場PAPI燈位置計算的方法研究

摘 ?要：作為民用機場必須設置的燈光系統，為了更好地幫助駕駛員在進近階段中確保飛機在正確航道上下滑，文章基于精密進近航道指示設置原理，提出了誤差動態補償優化法。該方法在計算過程中充分考慮主要的工程誤差，通過迭代優化保證滿足飛機飛過跑道入口時輪子凈距要求的前提下，將最低眼輪高度MENT和PAPI的位置確定在較為準確的數值，提高計算精度。

關鍵詞：民用機場;助航燈光;PAPI系統;跑道入口;眼輪高度

中圖分類號：TP391 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0100-03

Method Research on the Calculation of PAPI Light Position for

Civil Branch Airport

LIU Jing

（Guangzhou Branch of Shanghai CAAC New Era Airport Design & Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou ?510080，China）

Abstract：As a lighting system that must be set up in civil airport，in order to better help the pilot to ensure the aircraft glide on the correct channel in the approach phase，this paper proposes an error dynamic compensation optimization method based on the principle of precise approach channel indication setting. In this methods calculating process，the main engineering errors are fully considered. Under the premise of meeting the requirements of the clear distance of the wheels when the aircraft flies over the runway entrance through iterative optimization，the minimum eye wheel height MENT and the position of PAPI are determined in a more accurate value to improve the calculation accuracy.

Keywords：civil airport;aeronautical obstacle light;PAPI system;runway entrance;eye wheel height

0 ?引 ?言

隨著我國經濟的迅速發展，民用航空在綜合交通運輸體系中的作用日益突出，成為增長速度最快、發展潛力最大的交通運輸方式。機場助航燈光系統是保障飛機飛行安全的重要目視助航設備，在飛機進近、著陸、滑行過程中起著關鍵作用。在夜間或霧天等能見度較低的自然條件下，助航燈正常與否直接關系到飛機起降的安全，是現代化的民用機場維持運行的前提條件之一。

助航燈光系統由進近燈光系統、目視進近坡度指示系統、跑道燈光系統、滑行道燈光系統和其他燈光系統組成。ICAO附件14和MH5001-2013《民用機場飛行區技術標準》中均有相關規定，有進近引導要求的航空器使用的跑道，無論跑道是否設有其他目視助航設備或非目視助航設備，應設置目視進近坡度指示系統。目視進近坡度指示系統有其特殊的目視進近助航作用[1]，能幫助駕駛員在進近階段保持飛機正確地下滑在航道上，屬于民用機場必須設置的燈光系統。機場燈光的運行中，往往只有PAPI是常亮的，而跑道燈光、進近燈光在某些氣象條件下，都是可以熄滅的。

1 ?PAPI設置原則

國際民用航空組織已批準的標準的目視進近坡度指示系統有以下幾種：T式目視進近坡度指示系統（T-VASIS）、簡化T式目視進近坡度指示系統（AT-VASIS）、精密進近坡度指示器（Precision approach path Indicator，PAPI）和簡化精密進近坡度指示器（APAPI）。國際民航建議自2020年1月1日起，停止將T-VASIS和AT-VASIS作為標準目視進近坡度指示系統使用[2]。鑒于APAPI僅可用于基準代碼為1或2的跑道[3]，而我國民用機場以樞紐機場、干線機場和支線機場為主（跑道基準代碼為3或4），因此，PAPI逐漸取代其它目視坡度指示器的唯一性成為必然趨勢。PAPI雖然中文名稱是精密進近航道指示器，但是它并不局限于精密進近[4]，實際使用中，非精密進近及目視進近的跑道，通常也設置PAPI。

PAPI系統由四個燈具組成，設在跑道的左側（對進近中的駕駛員而言），如圖1所示，在實際不可行時可設在跑道的右側。正在或接近正確的航道進近坡下滑時，看到離跑道最近的兩個燈具為紅色，離跑道較遠的兩個燈具為白色，如圖2所示。

《機場設計手冊 第4部分 目視助航設備》中有介紹PAPI的定位計算，但是計算原理和過程較為簡單，工程上誤差的補償也是采用后補償的方式，在實際應用中計算便捷性和誤差有待商榷。

圖1 ?跑道典型PAPI燈設置

圖2 ?正在或接近正確的航道進近坡下滑時PAPI燈構型

本文在原理相同的基礎上，改進計算方法，提出了誤差動態補償優化法。該方法結合工程實際中場道地勢設計平整的規律性，在計算中充分考慮主要的工程誤差，用數學和迭代優化計算的數解方法，在保證使用PAPI時飛機飛過跑道入口時輪子的凈距要求的前提下，將最低眼高MENT和PAPI的位置確定在較為準確的數值，提高計算精度。

2 ?基于誤差動態補償優化法的PAPI計算實例分析

中部省份某支線機場W飛行區指標為4C，跑道長2 600米，以該支線機場W主降方向為例，計算PAPI的位置。

2.1 ?確定M角

考慮支線機場W航班業務量的預測情況以及目前執飛支線機場的主要飛行機型，確定支線機場∠M=2°48′即2.8°，tanM=0.048 9。

2.2 ?跑道機型參數

根據飛行程序相關數據，該支線機場跑道執飛最大機型為B737-800，按最嚴格的機型要求查《機場設計手冊 第4部分 目視助航設備》附錄6，眼-輪高度（眼軌跡至最低輪子軌跡高度）h（眼-輪）=5.82米，要求輪子凈距9米，則跑道入口最小眼高MENT*=5.82+9=14.82米。眼-天高度h（眼-天）=0.27米。

2.3 ?跑道中線相關地勢參數和跑道入口至ILS下滑道有效原點距離

結合跑道中線的地勢參數，計算主降方向跑道入口至ILS下滑道有效原點實際距離的過程為：

（1）主降方向跑道入口標高h0=325.01米。

（2）跑道中線地勢標高的方程式：

h=h0+tanθ1·x1+tanθ2·（x2-x1）+…+tanθn+1·（xn+1-xn）（1）

其中，x為距跑道入口的長度，按不同坡度段取值。tanθ為相應坡度段的斜率（注：距離分段計算時，上升坡tanθ為+，下降坡tanθ為-）。

（3）假定ILS/MLS基準高度為15米，下滑角為3°，且跑道為水平時，跑道入口至ILS下滑道有效原點距離為15/tan3°=286米[5]。由此可推斷，假定跑道水平時，跑道入口至ILS下滑道有效原點標稱距離在幾何上可認為是15米3°下滑角直線與跑道中線水平線的交點。

但是實際工程中，一則跑道中線往往不是水平線，而是由不同斜率段構成的分段函數（見式（1）），二則ILS/MLS下滑進近需要考慮補償眼天高度。

h=h0+15+h（眼-天）-tan3°·x ? ? ? ? ? ? ? （2）

因此，跑道入口至ILS下滑道有效原點實際距離L0可認為是，即15米+眼-天高度h（眼-天）的3°下滑角直線（式（2））與函數（跑道中線地勢標高，式（1））交點。L0用公式可表示為：

案例支線機場W中，根據兩個函數的特性和工程經驗，可推斷：（1）作為交點的有效原點實際距離L0的有效范圍可假設放大在200米～400米之間;（2）計算L0時，跑道入口至有效范圍下限附近的分段點之間斜率無論如何變化，對實際計算L0結果沒有任何影響。結合該機場實際設計地勢，L0有效范圍最大可取值在370米左右，最小值可取在250米左右，并獲取相應的坡度段斜率，列得如表1所示（250米前面斜率變化可忽略）。

將表中數據代入式（3）計算出跑道入口至ILS下滑道有效原點實際距離L0=331.50米。

2.4 ?PAPI位置

以PAPI中第二個燈具（燈具B，距離跑道邊33米）為基準，其設置角為2°50′，如圖3所示。

燈具B所在的平行跑道中線的縱向直線地勢方程假設為h=ax+b，考慮燈具安裝時的燈芯高程以及PAPI系統四個燈具盡量在同一水平面，取燈具燈芯高度為0.81米，則燈芯的地勢方程可為hB=ax+b+0.81。根據實際的設計地勢，在已知某段直線內的兩點地勢，可采用內插法求得不同x對應的hB。

計算PAPI的位置是要求滿足飛機（支線機場一般取最大機型）在ILS/MLS信號下滑過程中駕駛員眼睛目視PAPI顏色正確，以達到ILS/MLS和PAPI兩者信號的最佳協調。計算上可理解PAPI位置滿足飛機過跑道入口的眼高值不低于最小眼高值MENT*=14.82米，即燈具B的燈芯在直線段上變化時，距跑道入口縱向距離x，要求滿足x·tanM-（h0-hB）=MENT*，其中tanM=0.048 9米，h0=325.01米，MENT*=14.82米。

兩個方程的數學解法上可利用迭代優化求解準確值，而跑道入口至ILS下滑道有效原點實際距離L0可作為可靠的基準初始值。在支線機場W的PAPI位置迭代計算如表2所示。

每一列數據計算得到移動距離?L，修正第二列的距跑道入口距離x，不斷迭代直到移動距離?L為0，對應值確定的PAPI最終位置。按照上述步驟計算可得：機場W主降方向PAPI的最終位置為347.40米。

3 ?結 ?論

PAPI的位置計算不僅是助航燈光系統的重要內容，而且與跑道瞄準點、飛行下滑航道等密切相關，經過在多個機場工程的實例研究，得到如下結論：（1）跑道入口至ILS下滑道有效原點實際距離L0可作為可靠的基準初始值計算PAPI位置。（2）對于支線機場，M角通常采用2°48′，扇形為20′;而為了將PAPI系統的信號和ILS下滑坡信號匹配的協調到更靠近跑道入口的一點，扇形可擴大30′，M角采用2°45′。（3）對于支線機場，適合采用最大機型計算PAPI位置。（4）本文提出的誤差動態補償優化法是基于場道地勢設計的規律性，直接適用于新建機場項目。對于機場改造項目，建議根據實測地勢數據線性化處理，再采用誤差動態補償優化法計算。

參考文獻：

[1] 張俊超.簡述機場燈光的配置 [J].民航經濟與技術，1995（11）：31-32.

[2] 國際民用航空組織.國際民用航空公約 附件14—機場 第I卷 機場設計和運行：第7版 [S].國際民用航空組織，2016.

[3] 中國民用航空局機場司.民用機場飛行區技術標準：MH5 001-2013 [S].中國民用航空總局，2013.

[4] 霍志勤.進近著陸中基于PAPI、瞄準點和GP下滑的探討 [J].民航學報，2019，3（6）：45-49.

[5] 國際民航組織.機場設計手冊 第四部分 目視助航設備：第4版 [S].中國民用航空機場司，2008.

作者簡介：劉靖（1989—），女，漢族，江西吉安人，工程師，碩士研究生，研究方向：機場助航燈光及供配電設計。