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是一個由許多計算機(jī)、傳感器、無線電導(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)系起來的設(shè)備系統(tǒng)。典型的FMS主要由4個系統(tǒng)組成：飛行管理計算機(jī)系統(tǒng)，自動飛行控制系統(tǒng)，自動油門系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)。這四個系統(tǒng)可以獨立工作，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)中任一部分系統(tǒng)的故障不會引起FMS的全部失效。

1.1 飛行管理計算機(jī)系統(tǒng)（FMCS）

FMCS由飛行管理計算機(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。現(xiàn)在一般的飛機(jī)為確保FMS的可靠性都裝有兩臺，一臺主用，一臺備用。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前方。

1.2 自動飛行控制系統(tǒng)（AFCS）

AFCS是FMS的操作系統(tǒng)，它對自動駕駛、飛行指引系統(tǒng)、速度馬赫配平等提供綜合控制。它由兩臺或三臺飛行控制計算機(jī)（FCC）、一個方式控制面板（MCP）以及一些其它部件組成。FCC接受來自飛機(jī)各種傳感器的信號，根據(jù)要求的飛行方式對信息進(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 自動油門系統(tǒng)（A/T）

自動油門系統(tǒng)包括自動油門計算機(jī)和自動油門伺服機(jī)構(gòu)。自動油門計算機(jī)接收來自各傳感器和MCP上來的工作方式和性能選擇數(shù)據(jù)，計算處理后，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)計算機(jī)（ADC）、測距儀（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鐘等。這一系統(tǒng)將實測的飛行、導(dǎo)航的大氣數(shù)據(jù)傳輸給FMS的計算機(jī)系統(tǒng)。

2 飛行管理系統(tǒng)的導(dǎo)航功能

FMS自動化程度高、功能全，可完成駕駛員的大部分工作，其功能有：導(dǎo)航、自動飛行控制、性能管理、報警并快速診斷故障。下面重點講述飛行管理系統(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程。導(dǎo)航要從起飛機(jī)場開始，根據(jù)選擇的航線確定飛機(jī)在航路上的位置、預(yù)達(dá)時間、地速等。現(xiàn)代飛行管理系統(tǒng)的導(dǎo)航功能早已把慣導(dǎo)、無線電導(dǎo)航和儀表著陸系統(tǒng)結(jié)合在一起提供一個綜合的導(dǎo)航功能。

2.1 位置計算

計算機(jī)執(zhí)行操作程序，確定飛機(jī)當(dāng)時的精確位置非常重要。它把飛機(jī)無線電導(dǎo)航接收機(jī)接受到的地面無線電信號和IRS產(chǎn)生的信號進(jìn)行綜合計算，以獲得最高的準(zhǔn)確性。

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

2.2 IRS位置信號和無線電導(dǎo)航位置修正

FMC首先接收來自IRS的飛機(jī)當(dāng)時的位置信號、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個激光陀螺和3個加速度計。它們與飛機(jī)固定在一起，相互之間沒有相對位移，這樣就可以感受到飛機(jī)3個軸向的加速度和繞3個軸向的轉(zhuǎn)動量。

3個激光陀螺和3個加速度計的信號都送到IRS的計算機(jī)內(nèi)。計算機(jī)經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，最后輸出基本航向和姿態(tài)信號，以及當(dāng)時位置、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。這時，測量飛機(jī)3個軸向加速度的加速度計感受地球重力加速度，以確定飛機(jī)當(dāng)時的初始姿態(tài)。若飛機(jī)在地面放置時沒有俯仰角，那么縱向加速度計所測到的加速度為零。

在校準(zhǔn)期間，3個激光陀螺所能檢測到的飛機(jī)位移只是地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。根據(jù)檢測到的地球自轉(zhuǎn)速度的大小，就可以通過計算確定飛機(jī)當(dāng)時所處的地球緯度。根據(jù)那幾個陀螺檢測到運(yùn)動以及運(yùn)動速度的大小，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CDU或IRS顯示裝置輸入飛機(jī)當(dāng)時的經(jīng)緯度，輸入的緯度和IRS測得的緯度比較，而輸入的經(jīng)度與上次飛行結(jié)束時儲存的經(jīng)度進(jìn)行比較，兩個數(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計算機(jī)根據(jù)3個加速度計和3個陀螺輸來的信號對飛機(jī)位置和姿態(tài)進(jìn)行更新計算，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)動方向和所飛距離、速度和時間的測量，從過去已知的位置來推算當(dāng)前的位置或預(yù)計未來的位置，不需要地面導(dǎo)航設(shè)施。但隨著航行時間和航行距離的延長，位置累積誤差越來越大。因而，經(jīng)過一定時間后，需要用別的信號來對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)無線電導(dǎo)航接收機(jī)所接收到的地面無線電信號和IRS產(chǎn)生的信號進(jìn)行綜合計算以獲得最高的準(zhǔn)確性。無線電導(dǎo)航接收機(jī)是兩臺DME和兩臺VOR，它們是靠接收和處理地面發(fā)射臺的無線電波而工作的。無線電導(dǎo)航的定位精度高，設(shè)備簡單可靠。

飛機(jī)的實時位置，是靠兩個或兩個以上的導(dǎo)航參數(shù)，利用距離或方位幾何線相交來完成定位。FMS所采用的無線電定位方法有兩種：測距定位（ρ-ρ）和測距測向定位（ρ-θ）。

FMC優(yōu)先選擇的無線電定位方法是測距定位（ρ-ρ）。要實現(xiàn)測距，除了機(jī)上要有DME詢問機(jī)外，還要有地面DME應(yīng)答機(jī)。

2.4 FMC導(dǎo)航功能的實現(xiàn)

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

3 結(jié)論

在整個飛行階段，都由FMS進(jìn)行計算、操縱，并將飛機(jī)當(dāng)時所處的準(zhǔn)確位置、飛行速度和高度等動態(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，推動航空技術(shù)邁入綜合化、數(shù)字化和智能化的時代。

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