淺析飛行管理系統(tǒng)的導(dǎo)航功能

張偉剛

0 引言

隨著現(xiàn)代航空科學(xué)技術(shù)飛速的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已進(jìn)入各航空領(lǐng)域。飛行管理系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用在多種飛機(jī)的商業(yè)飛行中，表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。導(dǎo)航系統(tǒng)作為FMS的一個(gè)子系統(tǒng)，在其中發(fā)揮著十分重要的作用。在當(dāng)前的FMS中，常規(guī)的無(wú)線電區(qū)域?qū)Ш酵渌恍?dǎo)航方式相結(jié)合取得了很好得效果，確保了飛行的安全、舒適、快捷。

1 飛行管理系統(tǒng)的組成

現(xiàn)代飛機(jī)上的FMS是一個(gè)由許多計(jì)算機(jī)、傳感器、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)、控制板、電子顯示儀表、電子警告組件以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)的設(shè)備系統(tǒng)。典型的FMS主要由4個(gè)系統(tǒng)組成：飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，自動(dòng)油門系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)。這四個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)中任一部分系統(tǒng)的故障不會(huì)引起FMS的全部失效。

1.1 飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（FMCS）

FMCS由飛行管理計(jì)算機(jī)(FMC)和控制顯示組件(CDU)組成，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、處理并控制其它系統(tǒng)的工作?，F(xiàn)在一般的飛機(jī)為確保FMS的可靠性都裝有兩臺(tái)，一臺(tái)主用，一臺(tái)備用。CDU為便于操縱都安裝在駕駛艙靠近正、副駕駛的中央操縱臺(tái)前方。

1.2 自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（AFCS）

AFCS是FMS的操作系統(tǒng)，它對(duì)自動(dòng)駕駛、飛行指引系統(tǒng)、速度馬赫配平等提供綜合控制。它由兩臺(tái)或三臺(tái)飛行控制計(jì)算機(jī)（FCC）、一個(gè)方式控制面板（MCP）以及一些其它部件組成。FCC接受來(lái)自飛機(jī)各種傳感器的信號(hào)，根據(jù)要求的飛行方式對(duì)信息進(jìn)行處理，并產(chǎn)生輸出指令去操縱副翼、安定面、升降舵等控制面。

1.3 自動(dòng)油門系統(tǒng)（A/T）

自動(dòng)油門系統(tǒng)包括自動(dòng)油門計(jì)算機(jī)和自動(dòng)油門伺服機(jī)構(gòu)。自動(dòng)油門計(jì)算機(jī)接收來(lái)自各傳感器和MCP上來(lái)的工作方式和性能選擇數(shù)據(jù)，計(jì)算處理后，輸出操縱指令到油門機(jī)構(gòu)去。

1.4 傳感器系統(tǒng)

傳感器包括慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（ADC）、測(cè)距儀（DME）、全向信標(biāo)（VOR）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、儀表著陸系統(tǒng)（ILS）以及燃油總和器和飛行時(shí)鐘等。這一系統(tǒng)將實(shí)測(cè)的飛行、導(dǎo)航的大氣數(shù)據(jù)傳輸給FMS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2 飛行管理系統(tǒng)的導(dǎo)航功能

FMS自動(dòng)化程度高、功能全，可完成駕駛員的大部分工作，其功能有：導(dǎo)航、自動(dòng)飛行控制、性能管理、報(bào)警并快速診斷故障。下面重點(diǎn)講述飛行管理系統(tǒng)的導(dǎo)航功能。

導(dǎo)航就是安全有效地引導(dǎo)飛機(jī)從一地到另一地的飛行控制過(guò)程。導(dǎo)航要從起飛機(jī)場(chǎng)開始，根據(jù)選擇的航線確定飛機(jī)在航路上的位置、預(yù)達(dá)時(shí)間、地速等?，F(xiàn)代飛行管理系統(tǒng)的導(dǎo)航功能早已把慣導(dǎo)、無(wú)線電導(dǎo)航和儀表著陸系統(tǒng)結(jié)合在一起提供一個(gè)綜合的導(dǎo)航功能。

2.1 位置計(jì)算

計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作程序，確定飛機(jī)當(dāng)時(shí)的精確位置非常重要。它把飛機(jī)無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)接受到的地面無(wú)線電信號(hào)和IRS產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行綜合計(jì)算，以獲得最高的準(zhǔn)確性。

無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)包含兩臺(tái)DME和兩臺(tái)VOR接收機(jī)以及在飛機(jī)進(jìn)近著陸時(shí)使用的2到3臺(tái)ILS，它們同時(shí)分別向計(jì)算機(jī)輸送各自接收到的信號(hào)。

2.2 IRS位置信號(hào)和無(wú)線電導(dǎo)航位置修正

FMC首先接收來(lái)自IRS的飛機(jī)當(dāng)時(shí)的位置信號(hào)、航向和速度數(shù)據(jù)作為基本的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

IRS的基本傳感器是3個(gè)激光陀螺和3個(gè)加速度計(jì)。它們與飛機(jī)固定在一起，相互之間沒(méi)有相對(duì)位移，這樣就可以感受到飛機(jī)3個(gè)軸向的加速度和繞3個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)量。

3個(gè)激光陀螺和3個(gè)加速度計(jì)的信號(hào)都送到IRS的計(jì)算機(jī)內(nèi)。計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算，最后輸出基本航向和姿態(tài)信號(hào)，以及當(dāng)時(shí)位置、加速度、地速、偏流角和姿態(tài)速率信息。IRS準(zhǔn)確工作的首要條件是要在電源剛接通時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)工作。校準(zhǔn)工作只能在地面進(jìn)行。在校準(zhǔn)工作期間，飛機(jī)不能移動(dòng)。這時(shí)，測(cè)量飛機(jī)3個(gè)軸向加速度的加速度計(jì)感受地球重力加速度，以確定飛機(jī)當(dāng)時(shí)的初始姿態(tài)。若飛機(jī)在地面放置時(shí)沒(méi)有俯仰角，那么縱向加速度計(jì)所測(cè)到的加速度為零。

在校準(zhǔn)期間，3個(gè)激光陀螺所能檢測(cè)到的飛機(jī)位移只是地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)檢測(cè)到的地球自轉(zhuǎn)速度的大小，就可以通過(guò)計(jì)算確定飛機(jī)當(dāng)時(shí)所處的地球緯度。根據(jù)那幾個(gè)陀螺檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)速度的大小，可以確定飛機(jī)初始的航向。在校準(zhǔn)期間需要飛行員通過(guò)CDU或IRS顯示裝置輸入飛機(jī)當(dāng)時(shí)的經(jīng)緯度，輸入的緯度和IRS測(cè)得的緯度比較，而輸入的經(jīng)度與上次飛行結(jié)束時(shí)儲(chǔ)存的經(jīng)度進(jìn)行比較，兩個(gè)數(shù)值的差應(yīng)在規(guī)定限度內(nèi)。校準(zhǔn)最少需10分鐘才能完成。

校準(zhǔn)完成后，IRS就可進(jìn)入導(dǎo)航工作方式。IRS計(jì)算機(jī)根據(jù)3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺輸來(lái)的信號(hào)對(duì)飛機(jī)位置和姿態(tài)進(jìn)行更新計(jì)算，并建立其它導(dǎo)航參數(shù)。其中飛機(jī)位置、速度和高度數(shù)據(jù)輸入到FMC中，作為基本導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

使用IRS的數(shù)據(jù)導(dǎo)航稱為慣性導(dǎo)航。它是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，也稱為推算導(dǎo)航法。它是根據(jù)飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和所飛距離、速度和時(shí)間的測(cè)量，從過(guò)去已知的位置來(lái)推算當(dāng)前的位置或預(yù)計(jì)未來(lái)的位置，不需要地面導(dǎo)航設(shè)施。但隨著航行時(shí)間和航行距離的延長(zhǎng)，位置累積誤差越來(lái)越大。因而，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，需要用別的信號(hào)來(lái)對(duì)IRS的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2.3 位置校正

一般采用飛機(jī)無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)所接收到的地面無(wú)線電信號(hào)和IRS產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行綜合計(jì)算以獲得最高的準(zhǔn)確性。無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)是兩臺(tái)DME和兩臺(tái)VOR，它們是靠接收和處理地面發(fā)射臺(tái)的無(wú)線電波而工作的。無(wú)線電導(dǎo)航的定位精度高，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠。

飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置，是靠?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的導(dǎo)航參數(shù)，利用距離或方位幾何線相交來(lái)完成定位。FMS所采用的無(wú)線電定位方法有兩種：測(cè)距定位（ρ-ρ）和測(cè)距測(cè)向定位（ρ-θ）。

FMC優(yōu)先選擇的無(wú)線電定位方法是測(cè)距定位（ρ-ρ）。要實(shí)現(xiàn)測(cè)距，除了機(jī)上要有DME詢問(wèn)機(jī)外，還要有地面DME應(yīng)答機(jī)。

2.4 FMC導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)

FMC由無(wú)線電位置計(jì)算、導(dǎo)航臺(tái)選擇、合成速度、IRS數(shù)據(jù)混合、本地地球半徑計(jì)算以及位置、速度、高度、補(bǔ)償過(guò)濾器等功能電路所組成。計(jì)算機(jī)通過(guò)這一系列的綜合計(jì)算最后把結(jié)果輸給自動(dòng)駕駛儀（A/P）和顯示組件（CDU），以完成飛機(jī)的自動(dòng)飛行和駕駛員對(duì)飛機(jī)的監(jiān)控。

3 結(jié)論

在整個(gè)飛行階段，都由FMS進(jìn)行計(jì)算、操縱，并將飛機(jī)當(dāng)時(shí)所處的準(zhǔn)確位置、飛行速度和高度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示給飛行員。FMS以最佳飛行路徑操縱飛機(jī)，不但安全、可靠，而且大大降低了飛行成本。目前，飛行的綜合管理和控制已經(jīng)成為航空技術(shù)發(fā)展的潮流。先進(jìn)的飛行管理系統(tǒng)已經(jīng)在多種先進(jìn)飛機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，推動(dòng)航空技術(shù)邁入綜合化、數(shù)字化和智能化的時(shí)代。

[1]張煥.空中領(lǐng)航（下冊(cè)）.中國(guó)民航飛行學(xué)院，1999，1.

[2]欽慶生編.飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[M].國(guó)際工業(yè)出版社，1991，10.

[3]飛行管理系統(tǒng)導(dǎo)航功能分析[J].航空學(xué)報(bào)，5—A339，1991.

[4]鄭國(guó)平，何曉微編.航空電子設(shè)備[D].中國(guó)民航飛行學(xué)院，1998，6.

[5]張良云編.飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1994，8.

[6]張澤龍.商用飛行員教程[M].西南交通大學(xué)出版社，2001，7.

[7]張澤龍.私用飛行員教程[M].西南交通大學(xué)出版社，2000，9.

[8]宣家祿.空中領(lǐng)航學(xué)（下冊(cè)）[M].中國(guó)民航飛行學(xué)院，1993，1.

[9]張煥.空中領(lǐng)航（上冊(cè)）[M].中國(guó)民航飛行學(xué)院，1999，1.

[10]BOEING 737—300/400/500 FLIGHT MANAGEMENT SYSTEM BITE MANUAL，BOEING CDMMERCIAL AIRPLANES，1998.

[11]MYRON KAYTON WALTER R·FRIED AVIONICS NAVIGATION SYSTEM，1997.

[12]BOING 757 OPERATIONS MANUAL CHINA SOUTHERN，1999.