淺析飛行管理系統的導航功能

張偉剛

0 引言

隨著現代航空科學技術飛速的發展，計算機已進入各航空領域。飛行管理系統已經成功地應用在多種飛機的商業飛行中，表現出了優越的性能。導航系統作為FMS的一個子系統，在其中發揮著十分重要的作用。在當前的FMS中，常規的無線電區域導航同其它一些導航方式相結合取得了很好得效果，確保了飛行的安全、舒適、快捷。

1 飛行管理系統的組成

現代飛機上的FMS是一個由許多計算機、傳感器、無線電導航系統、控制板、電子顯示儀表、電子警告組件以及執行機構聯系起來的設備系統。典型的FMS主要由4個系統組成：飛行管理計算機系統，自動飛行控制系統，自動油門系統，傳感器系統。這四個系統可以獨立工作，這樣保證當系統中任一部分系統的故障不會引起FMS的全部失效。

1.1 飛行管理計算機系統（FMCS）

FMCS由飛行管理計算機(FMC)和控制顯示組件(CDU)組成，負責協調、處理并控制其它系統的工作?，F在一般的飛機為確保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（AFCS）

AFCS是FMS的操作系統，它對自動駕駛、飛行指引系統、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（FCC）、一個方式控制面板（MCP）以及一些其它部件組成。FCC接受來自飛機各種傳感器的信號，根據要求的飛行方式對信息進行處理，并產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（A/T）

自動油門系統包括自動油門計算機和自動油門伺服機構。自動油門計算機接收來自各傳感器和MCP上來的工作方式和性能選擇數據，計算處理后，輸出操縱指令到油門機構去。

1.4 傳感器系統

傳感器包括慣性基準系統（IRS）、大氣數據計算機（ADC）、測距儀（DME）、全向信標（VOR）、全球定位系統（GPS）、儀表著陸系統（ILS）以及燃油總和器和飛行時鐘等。這一系統將實測的飛行、導航的大氣數據傳輸給FMS的計算機系統。

2 飛行管理系統的導航功能

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的導航功能。

導航就是安全有效地引導飛機從一地到另一地的飛行控制過程。導航要從起飛機場開始，根據選擇的航線確定飛機在航路上的位置、預達時間、地速等?，F代飛行管理系統的導航功能早已把慣導、無線電導航和儀表著陸系統結合在一起提供一個綜合的導航功能。

2.1 位置計算

計算機執行操作程序，確定飛機當時的精確位置非常重要。它把飛機無線電導航接收機接受到的地面無線電信號和IRS產生的信號進行綜合計算，以獲得最高的準確性。

無線電導航接收機包含兩臺DME和兩臺VOR接收機以及在飛機進近著陸時使用的2到3臺ILS，它們同時分別向計算機輸送各自接收到的信號。

2.2 IRS位置信號和無線電導航位置修正

FMC首先接收來自IRS的飛機當時的位置信號、航向和速度數據作為基本的導航數據。

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3個軸向的加速度和繞3個軸向的轉動量。

3個激光陀螺和3個加速度計的信號都送到IRS的計算機內。計算機經過復雜的運算，最后輸出基本航向和姿態信號，以及當時位置、加速度、地速、偏流角和姿態速率信息。IRS準確工作的首要條件是要在電源剛接通時進行校準工作。校準工作只能在地面進行。在校準工作期間，飛機不能移動。這時，測量飛機3個軸向加速度的加速度計感受地球重力加速度，以確定飛機當時的初始姿態。若飛機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。

在校準期間，3個激光陀螺所能檢測到的飛機位移只是地球的自轉運動。根據檢測到的地球自轉速度的大小，就可以通過計算確定飛機當時所處的地球緯度。根據那幾個陀螺檢測到運動以及運動速度的大小，可以確定飛機初始的航向。在校準期間需要飛行員通過CDU或IRS顯示裝置輸入飛機當時的經緯度，輸入的緯度和IRS測得的緯度比較，而輸入的經度與上次飛行結束時儲存的經度進行比較，兩個數值的差應在規定限度內。校準最少需10分鐘才能完成。

校準完成后，IRS就可進入導航工作方式。IRS計算機根據3個加速度計和3個陀螺輸來的信號對飛機位置和姿態進行更新計算，并建立其它導航參數。其中飛機位置、速度和高度數據輸入到FMC中，作為基本導航數據。

使用IRS的數據導航稱為慣性導航。它是一種自主式導航系統，也稱為推算導航法。它是根據飛機的運動方向和所飛距離、速度和時間的測量，從過去已知的位置來推算當前的位置或預計未來的位置，不需要地面導航設施。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，經過一定時間后，需要用別的信號來對IRS的位置數據進行修正。

2.3 位置校正

一般采用飛機無線電導航接收機所接收到的地面無線電信號和IRS產生的信號進行綜合計算以獲得最高的準確性。無線電導航接收機是兩臺DME和兩臺VOR，它們是靠接收和處理地面發射臺的無線電波而工作的。無線電導航的定位精度高，設備簡單可靠。

飛機的實時位置，是靠兩個或兩個以上的導航參數，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優先選擇的無線電定位方法是測距定位（ρ-ρ）。要實現測距，除了機上要有DME詢問機外，還要有地面DME應答機。

2.4 FMC導航功能的實現

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

3 結論

在整個飛行階段，都由FMS進行計算、操縱，并將飛機當時所處的準確位置、飛行速度和高度等動態數據顯示給飛行員。FMS以最佳飛行路徑操縱飛機，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成為航空技術發展的潮流。先進的飛行管理系統已經在多種先進飛機上得到了廣泛應用，推動航空技術邁入綜合化、數字化和智能化的時代。

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