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摘 要：作为民用机场必须设置的灯光系统，为了更好地帮助驾驶员在进近阶段中确保飞机在正确航道上下滑，文章基于精密进近航道指示设置原理，提出了误差动态补偿优化法。该方法在计算过程中充分考虑主要的工程误差，通过迭代优化保证满足飞机飞过跑道入口时轮子净距要求的前提下，将最低眼轮高度MENT和PAPI的位置确定在较为准确的数值，提高计算精度。
关键词：民用机场;助航灯光;PAPI系统;跑道入口;眼轮高度
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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 method’s 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
隨着我国经济的迅速发展，民用航空在综合交通运输体系中的作用日益突出，成为增长速度最快、发展潜力最大的交通运输方式。机场助航灯光系统是保障飞机飞行安全的重要目视助航设备，在飞机进近、着陆、滑行过程中起着关键作用。在夜间或雾天等能见度较低的自然条件下，助航灯正常与否直接关系到飞机起降的安全，是现代化的民用机场维持运行的前提条件之一。
助航灯光系统由进近灯光系统、目视进近坡度指示系统、跑道灯光系统、滑行道灯光系统和其他灯光系统组成。ICAO附件14和MH5001-2013《民用机场飞行区技术标准》中均有相关规定，有进近引导要求的航空器使用的跑道，无论跑道是否设有其他目视助航设备或非目视助航设备，应设置目视进近坡度指示系统。目视进近坡度指示系统有其特殊的目视进近助航作用[1]，能帮助驾驶员在进近阶段保持飞机正确地下滑在航道上，属于民用机场必须设置的灯光系统。机场灯光的运行中，往往只有PAPI是常亮的，而跑道灯光、进近灯光在某些气象条件下，都是可以熄灭的。
1 PAPI设置原则
国际民用航空组织已批准的标准的目视进近坡度指示系统有以下几种：T式目视进近坡度指示系统（T-VASIS）、简化T式目视进近坡度指示系统（AT-VASIS）、精密进近坡度指示器（Precision approach path Indicator，PAPI）和简化精密进近坡度指示器（APAPI）。国际民航建议自2020年1月1日起，停止将T-VASIS和AT-VASIS作为标准目视进近坡度指示系统使用[2]。鉴于APAPI仅可用于基准代码为1或2的跑道[3]，而我国民用机场以枢纽机场、干线机场和支线机场为主（跑道基准代码为3或4），因此，PAPI逐渐取代其它目视坡度指示器的唯一性成为必然趋势。PAPI虽然中文名称是精密进近航道指示器，但是它并不局限于精密进近[4]，实际使用中，非精密进近及目视进近的跑道，通常也设置PAPI。
PAPI系统由四个灯具组成，设在跑道的左侧（对进近中的驾驶员而言），如图1所示，在实际不可行时可设在跑道的右侧。正在或接近正确的航道进近坡下滑时，看到离跑道最近的两个灯具为红色，离跑道较远的两个灯具为白色，如图2所示。
《机场设计手册 第4部分 目视助航设备》中有介绍PAPI的定位计算，但是计算原理和过程较为简单，工程上误差的补偿也是采用后补偿的方式，在实际应用中计算便捷性和误差有待商榷。
图1 跑道典型PAPI灯设置
图2 正在或接近正确的航道进近坡下滑时PAPI灯构型 本文在原理相同的基础上，改进计算方法，提出了误差动态补偿优化法。该方法结合工程实际中场道地势设计平整的规律性，在计算中充分考虑主要的工程误差，用数学和迭代优化计算的数解方法，在保证使用PAPI时飞机飞过跑道入口时轮子的净距要求的前提下，将最低眼高MENT和PAPI的位置确定在较为准确的数值，提高计算精度。
2 基于误差动态补偿优化法的PAPI计算实例分析
中部省份某支线机场W飞行区指标为4C，跑道长2 600米，以该支线机场W主降方向为例，计算PAPI的位置。
2.1 确定M角
考虑支线机场W航班业务量的预测情况以及目前执飞支线机场的主要飞行机型，确定支线机场∠M=2°48′即2.8°，tanM=0.048 9。
2.2 跑道机型参数
根据飞行程序相关数据，该支线机场跑道执飞最大机型为B737-800，按最严格的机型要求查《机场设计手册 第4部分 目视助航设备》附录6，眼-轮高度（眼轨迹至最低轮子轨迹高度）h（眼-轮）=5.82米，要求轮子净距9米，则跑道入口最小眼高MENT*=5.82+9=14.82米。眼-天高度h（眼-天）=0.27米。
2.3 跑道中线相关地势参数和跑道入口至ILS下滑道有效原点距离
结合跑道中线的地势参数，计算主降方向跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离的过程为：
（1）主降方向跑道入口标高h0=325.01米。
（2）跑道中线地势标高的方程式：
h=h0+tanθ1·x1+tanθ2·（x2-x1）+…+tanθn+1·（xn+1-xn）（1）
其中，x为距跑道入口的长度，按不同坡度段取值。tanθ为相应坡度段的斜率（注：距离分段计算时，上升坡tanθ为+，下降坡tanθ为-）。
（3）假定ILS/MLS基准高度为15米，下滑角为3°，且跑道为水平时，跑道入口至ILS下滑道有效原点距离为15/tan3°=286米[5]。由此可推断，假定跑道水平时，跑道入口至ILS下滑道有效原点标称距离在几何上可认为是15米3°下滑角直线与跑道中线水平线的交点。
但是实际工程中，一则跑道中线往往不是水平线，而是由不同斜率段构成的分段函数（见式（1）），二则ILS/MLS下滑进近需要考虑补偿眼天高度。
h=h0+15+h（眼-天）-tan3°·x （2）
因此，跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0可认为是，即15米+眼-天高度h（眼-天）的3°下滑角直线（式（2））与函数（跑道中线地势标高，式（1））交点。L0用公式可表示为：
案例支线机场W中，根据两个函数的特性和工程经验，可推断：（1）作为交点的有效原点实际距离L0的有效范围可假设放大在200米～400米之间;（2）计算L0时，跑道入口至有效范围下限附近的分段点之间斜率无论如何变化，对实际计算L0结果没有任何影响。结合该机场实际设计地势，L0有效范围最大可取值在370米左右，最小值可取在250米左右，并获取相应的坡度段斜率，列得如表1所示（250米前面斜率变化可忽略）。
将表中数据代入式（3）计算出跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0=331.50米。
2.4 PAPI位置
以PAPI中第二個灯具（灯具B，距离跑道边33米）为基准，其设置角为2°50′，如图3所示。
灯具B所在的平行跑道中线的纵向直线地势方程假设为h=ax+b，考虑灯具安装时的灯芯高程以及PAPI系统四个灯具尽量在同一水平面，取灯具灯芯高度为0.81米，则灯芯的地势方程可为hB=ax+b+0.81。根据实际的设计地势，在已知某段直线内的两点地势，可采用内插法求得不同x对应的hB。
计算PAPI的位置是要求满足飞机（支线机场一般取最大机型）在ILS/MLS信号下滑过程中驾驶员眼睛目视PAPI颜色正确，以达到ILS/MLS和PAPI两者信号的最佳协调。计算上可理解PAPI位置满足飞机过跑道入口的眼高值不低于最小眼高值MENT*=14.82米，即灯具B的灯芯在直线段上变化时，距跑道入口纵向距离x，要求满足x·tanM-（h0-hB）=MENT*，其中tanM=0.048 9米，h0=325.01米，MENT*=14.82米。
两个方程的数学解法上可利用迭代优化求解准确值，而跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0可作为可靠的基准初始值。在支线机场W的PAPI位置迭代计算如表2所示。
每一列数据计算得到移动距离?L，修正第二列的距跑道入口距离x，不断迭代直到移动距离?L为0，对应值确定的PAPI最终位置。按照上述步骤计算可得：机场W主降方向PAPI的最终位置为347.40米。
3 结 论
PAPI的位置计算不仅是助航灯光系统的重要内容，而且与跑道瞄准点、飞行下滑航道等密切相关，经过在多个机场工程的实例研究，得到如下结论：（1）跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0可作为可靠的基准初始值计算PAPI位置。（2）对于支线机场，M角通常采用2°48′，扇形为20′;而为了将PAPI系统的信号和ILS下滑坡信号匹配的协调到更靠近跑道入口的一点，扇形可扩大30′，M角采用2°45′。（3）对于支线机场，适合采用最大机型计算PAPI位置。（4）本文提出的误差动态补偿优化法是基于场道地势设计的规律性，直接适用于新建机场项目。对于机场改造项目，建议根据实测地势数据线性化处理，再采用误差动态补偿优化法计算。
参考文献：
[1] 张俊超.简述机场灯光的配置 [J].民航经济与技术，1995（11）：31-32.
[2] 国际民用航空组织.国际民用航空公约 附件14—机场 第I卷 机场设计和运行：第7版 [S].国际民用航空组织，2016.
[3] 中国民用航空局机场司.民用机场飞行区技术标准：MH5 001-2013 [S].中国民用航空总局，2013.
[4] 霍志勤.进近着陆中基于PAPI、瞄准点和GP下滑的探讨 [J].民航学报，2019，3（6）：45-49.
[5] 国际民航组织.机场设计手册 第四部分 目视助航设备：第4版 [S].中国民用航空机场司，2008.
作者简介：刘靖（1989—），女，汉族，江西吉安人，工程师，硕士研究生，研究方向：机场助航灯光及供配电设计。
关键词：民用机场;助航灯光;PAPI系统;跑道入口;眼轮高度
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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 method’s 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
隨着我国经济的迅速发展，民用航空在综合交通运输体系中的作用日益突出，成为增长速度最快、发展潜力最大的交通运输方式。机场助航灯光系统是保障飞机飞行安全的重要目视助航设备，在飞机进近、着陆、滑行过程中起着关键作用。在夜间或雾天等能见度较低的自然条件下，助航灯正常与否直接关系到飞机起降的安全，是现代化的民用机场维持运行的前提条件之一。
助航灯光系统由进近灯光系统、目视进近坡度指示系统、跑道灯光系统、滑行道灯光系统和其他灯光系统组成。ICAO附件14和MH5001-2013《民用机场飞行区技术标准》中均有相关规定，有进近引导要求的航空器使用的跑道，无论跑道是否设有其他目视助航设备或非目视助航设备，应设置目视进近坡度指示系统。目视进近坡度指示系统有其特殊的目视进近助航作用[1]，能帮助驾驶员在进近阶段保持飞机正确地下滑在航道上，属于民用机场必须设置的灯光系统。机场灯光的运行中，往往只有PAPI是常亮的，而跑道灯光、进近灯光在某些气象条件下，都是可以熄灭的。
1 PAPI设置原则
国际民用航空组织已批准的标准的目视进近坡度指示系统有以下几种：T式目视进近坡度指示系统（T-VASIS）、简化T式目视进近坡度指示系统（AT-VASIS）、精密进近坡度指示器（Precision approach path Indicator，PAPI）和简化精密进近坡度指示器（APAPI）。国际民航建议自2020年1月1日起，停止将T-VASIS和AT-VASIS作为标准目视进近坡度指示系统使用[2]。鉴于APAPI仅可用于基准代码为1或2的跑道[3]，而我国民用机场以枢纽机场、干线机场和支线机场为主（跑道基准代码为3或4），因此，PAPI逐渐取代其它目视坡度指示器的唯一性成为必然趋势。PAPI虽然中文名称是精密进近航道指示器，但是它并不局限于精密进近[4]，实际使用中，非精密进近及目视进近的跑道，通常也设置PAPI。
PAPI系统由四个灯具组成，设在跑道的左侧（对进近中的驾驶员而言），如图1所示，在实际不可行时可设在跑道的右侧。正在或接近正确的航道进近坡下滑时，看到离跑道最近的两个灯具为红色，离跑道较远的两个灯具为白色，如图2所示。
《机场设计手册 第4部分 目视助航设备》中有介绍PAPI的定位计算，但是计算原理和过程较为简单，工程上误差的补偿也是采用后补偿的方式，在实际应用中计算便捷性和误差有待商榷。
图1 跑道典型PAPI灯设置
图2 正在或接近正确的航道进近坡下滑时PAPI灯构型 本文在原理相同的基础上，改进计算方法，提出了误差动态补偿优化法。该方法结合工程实际中场道地势设计平整的规律性，在计算中充分考虑主要的工程误差，用数学和迭代优化计算的数解方法，在保证使用PAPI时飞机飞过跑道入口时轮子的净距要求的前提下，将最低眼高MENT和PAPI的位置确定在较为准确的数值，提高计算精度。
2 基于误差动态补偿优化法的PAPI计算实例分析
中部省份某支线机场W飞行区指标为4C，跑道长2 600米，以该支线机场W主降方向为例，计算PAPI的位置。
2.1 确定M角
考虑支线机场W航班业务量的预测情况以及目前执飞支线机场的主要飞行机型，确定支线机场∠M=2°48′即2.8°，tanM=0.048 9。
2.2 跑道机型参数
根据飞行程序相关数据，该支线机场跑道执飞最大机型为B737-800，按最严格的机型要求查《机场设计手册 第4部分 目视助航设备》附录6，眼-轮高度（眼轨迹至最低轮子轨迹高度）h（眼-轮）=5.82米，要求轮子净距9米，则跑道入口最小眼高MENT*=5.82+9=14.82米。眼-天高度h（眼-天）=0.27米。
2.3 跑道中线相关地势参数和跑道入口至ILS下滑道有效原点距离
结合跑道中线的地势参数，计算主降方向跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离的过程为：
（1）主降方向跑道入口标高h0=325.01米。
（2）跑道中线地势标高的方程式：
h=h0+tanθ1·x1+tanθ2·（x2-x1）+…+tanθn+1·（xn+1-xn）（1）
其中，x为距跑道入口的长度，按不同坡度段取值。tanθ为相应坡度段的斜率（注：距离分段计算时，上升坡tanθ为+，下降坡tanθ为-）。
（3）假定ILS/MLS基准高度为15米，下滑角为3°，且跑道为水平时，跑道入口至ILS下滑道有效原点距离为15/tan3°=286米[5]。由此可推断，假定跑道水平时，跑道入口至ILS下滑道有效原点标称距离在几何上可认为是15米3°下滑角直线与跑道中线水平线的交点。
但是实际工程中，一则跑道中线往往不是水平线，而是由不同斜率段构成的分段函数（见式（1）），二则ILS/MLS下滑进近需要考虑补偿眼天高度。
h=h0+15+h（眼-天）-tan3°·x （2）
因此，跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0可认为是，即15米+眼-天高度h（眼-天）的3°下滑角直线（式（2））与函数（跑道中线地势标高，式（1））交点。L0用公式可表示为：
案例支线机场W中，根据两个函数的特性和工程经验，可推断：（1）作为交点的有效原点实际距离L0的有效范围可假设放大在200米～400米之间;（2）计算L0时，跑道入口至有效范围下限附近的分段点之间斜率无论如何变化，对实际计算L0结果没有任何影响。结合该机场实际设计地势，L0有效范围最大可取值在370米左右，最小值可取在250米左右，并获取相应的坡度段斜率，列得如表1所示（250米前面斜率变化可忽略）。
将表中数据代入式（3）计算出跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0=331.50米。
2.4 PAPI位置
以PAPI中第二個灯具（灯具B，距离跑道边33米）为基准，其设置角为2°50′，如图3所示。
灯具B所在的平行跑道中线的纵向直线地势方程假设为h=ax+b，考虑灯具安装时的灯芯高程以及PAPI系统四个灯具尽量在同一水平面，取灯具灯芯高度为0.81米，则灯芯的地势方程可为hB=ax+b+0.81。根据实际的设计地势，在已知某段直线内的两点地势，可采用内插法求得不同x对应的hB。
计算PAPI的位置是要求满足飞机（支线机场一般取最大机型）在ILS/MLS信号下滑过程中驾驶员眼睛目视PAPI颜色正确，以达到ILS/MLS和PAPI两者信号的最佳协调。计算上可理解PAPI位置满足飞机过跑道入口的眼高值不低于最小眼高值MENT*=14.82米，即灯具B的灯芯在直线段上变化时，距跑道入口纵向距离x，要求满足x·tanM-（h0-hB）=MENT*，其中tanM=0.048 9米，h0=325.01米，MENT*=14.82米。
两个方程的数学解法上可利用迭代优化求解准确值，而跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0可作为可靠的基准初始值。在支线机场W的PAPI位置迭代计算如表2所示。
每一列数据计算得到移动距离?L，修正第二列的距跑道入口距离x，不断迭代直到移动距离?L为0，对应值确定的PAPI最终位置。按照上述步骤计算可得：机场W主降方向PAPI的最终位置为347.40米。
3 结 论
PAPI的位置计算不仅是助航灯光系统的重要内容，而且与跑道瞄准点、飞行下滑航道等密切相关，经过在多个机场工程的实例研究，得到如下结论：（1）跑道入口至ILS下滑道有效原点实际距离L0可作为可靠的基准初始值计算PAPI位置。（2）对于支线机场，M角通常采用2°48′，扇形为20′;而为了将PAPI系统的信号和ILS下滑坡信号匹配的协调到更靠近跑道入口的一点，扇形可扩大30′，M角采用2°45′。（3）对于支线机场，适合采用最大机型计算PAPI位置。（4）本文提出的误差动态补偿优化法是基于场道地势设计的规律性，直接适用于新建机场项目。对于机场改造项目，建议根据实测地势数据线性化处理，再采用误差动态补偿优化法计算。
参考文献：
[1] 张俊超.简述机场灯光的配置 [J].民航经济与技术，1995（11）：31-32.
[2] 国际民用航空组织.国际民用航空公约 附件14—机场 第I卷 机场设计和运行：第7版 [S].国际民用航空组织，2016.
[3] 中国民用航空局机场司.民用机场飞行区技术标准：MH5 001-2013 [S].中国民用航空总局，2013.
[4] 霍志勤.进近着陆中基于PAPI、瞄准点和GP下滑的探讨 [J].民航学报，2019，3（6）：45-49.
[5] 国际民航组织.机场设计手册 第四部分 目视助航设备：第4版 [S].中国民用航空机场司，2008.
作者简介：刘靖（1989—），女，汉族，江西吉安人，工程师，硕士研究生，研究方向：机场助航灯光及供配电设计。