浅析飞行管理系统的导航功能

张伟刚

0 引言

随着现代航空科学技术飞速的发展，计算机已进入各航空领域。飞行管理系统已经成功地应用在多种飞机的商业飞行中，表现出了优越的性能。导航系统作为FMS的一个子系统，在其中发挥着十分重要的作用。在当前的FMS中，常规的无线电区域导航同其它一些导航方式相结合取得了很好得效果，确保了飞行的安全、舒适、快捷。

1 飞行管理系统的组成

现代飞机上的FMS是一个由许多计算机、传感器、无线电导航系统、控制板、电子显示仪表、电子警告组件以及执行机构联系起来的设备系统。典型的FMS主要由4个系统组成：飞行管理计算机系统，自动飞行控制系统，自动油门系统，传感器系统。这四个系统可以独立工作，这样保证当系统中任一部分系统的故障不会引起FMS的全部失效。

1.1 飞行管理计算机系统（FMCS）

FMCS由飞行管理计算机(FMC)和控制显示组件(CDU)组成，负责协调、处理并控制其它系统的工作。现在一般的飞机为确保FMS的可靠性都装有两台，一台主用，一台备用。CDU为便于操纵都安装在驾驶舱靠近正、副驾驶的中央操纵台前方。

1.2 自动飞行控制系统（AFCS）

AFCS是FMS的操作系统，它对自动驾驶、飞行指引系统、速度马赫配平等提供综合控制。它由两台或三台飞行控制计算机（FCC）、一个方式控制面板（MCP）以及一些其它部件组成。FCC接受来自飞机各种传感器的信号，根据要求的飞行方式对信息进行处理，并产生输出指令去操纵副翼、安定面、升降舵等控制面。

1.3 自动油门系统（A/T）

自动油门系统包括自动油门计算机和自动油门伺服机构。自动油门计算机接收来自各传感器和MCP上来的工作方式和性能选择数据，计算处理后，输出操纵指令到油门机构去。

1.4 传感器系统

传感器包括惯性基准系统（IRS）、大气数据计算机（ADC）、测距仪（DME）、全向信标（VOR）、全球定位系统（GPS）、仪表着陆系统（ILS）以及燃油总和器和飞行时钟等。这一系统将实测的飞行、导航的大气数据传输给FMS的计算机系统。

2 飞行管理系统的导航功能

FMS自动化程度高、功能全，可完成驾驶员的大部分工作，其功能有：导航、自动飞行控制、性能管理、报警并快速诊断故障。下面重点讲述飞行管理系统的导航功能。

导航就是安全有效地引导飞机从一地到另一地的飞行控制过程。导航要从起飞机场开始，根据选择的航线确定飞机在航路上的位置、预达时间、地速等。现代飞行管理系统的导航功能早已把惯导、无线电导航和仪表着陆系统结合在一起提供一个综合的导航功能。

2.1 位置计算

计算机执行操作程序，确定飞机当时的精确位置非常重要。它把飞机无线电导航接收机接受到的地面无线电信号和IRS产生的信号进行综合计算，以获得最高的准确性。

无线电导航接收机包含两台DME和两台VOR接收机以及在飞机进近着陆时使用的2到3台ILS，它们同时分别向计算机输送各自接收到的信号。

2.2 IRS位置信号和无线电导航位置修正

FMC首先接收来自IRS的飞机当时的位置信号、航向和速度数据作为基本的导航数据。

IRS的基本传感器是3个激光陀螺和3个加速度计。它们与飞机固定在一起，相互之间没有相对位移，这样就可以感受到飞机3个轴向的加速度和绕3个轴向的转动量。

3个激光陀螺和3个加速度计的信号都送到IRS的计算机内。计算机经过复杂的运算，最后输出基本航向和姿态信号，以及当时位置、加速度、地速、偏流角和姿态速率信息。IRS准确工作的首要条件是要在电源刚接通时进行校准工作。校准工作只能在地面进行。在校准工作期间，飞机不能移动。这时，测量飞机3个轴向加速度的加速度计感受地球重力加速度，以确定飞机当时的初始姿态。若飞机在地面放置时没有俯仰角，那么纵向加速度计所测到的加速度为零。

在校准期间，3个激光陀螺所能检测到的飞机位移只是地球的自转运动。根据检测到的地球自转速度的大小，就可以通过计算确定飞机当时所处的地球纬度。根据那几个陀螺检测到运动以及运动速度的大小，可以确定飞机初始的航向。在校准期间需要飞行员通过CDU或IRS显示装置输入飞机当时的经纬度，输入的纬度和IRS测得的纬度比较，而输入的经度与上次飞行结束时储存的经度进行比较，两个数值的差应在规定限度内。校准最少需10分钟才能完成。

校准完成后，IRS就可进入导航工作方式。IRS计算机根据3个加速度计和3个陀螺输来的信号对飞机位置和姿态进行更新计算，并建立其它导航参数。其中飞机位置、速度和高度数据输入到FMC中，作为基本导航数据。

使用IRS的数据导航称为惯性导航。它是一种自主式导航系统，也称为推算导航法。它是根据飞机的运动方向和所飞距离、速度和时间的测量，从过去已知的位置来推算当前的位置或预计未来的位置，不需要地面导航设施。但随着航行时间和航行距离的延长，位置累积误差越来越大。因而，经过一定时间后，需要用别的信号来对IRS的位置数据进行修正。

2.3 位置校正

一般采用飞机无线电导航接收机所接收到的地面无线电信号和IRS产生的信号进行综合计算以获得最高的准确性。无线电导航接收机是两台DME和两台VOR，它们是靠接收和处理地面发射台的无线电波而工作的。无线电导航的定位精度高，设备简单可靠。

飞机的实时位置，是靠两个或两个以上的导航参数，利用距离或方位几何线相交来完成定位。FMS所采用的无线电定位方法有两种：测距定位（ρ-ρ）和测距测向定位（ρ-θ）。

FMC优先选择的无线电定位方法是测距定位（ρ-ρ）。要实现测距，除了机上要有DME询问机外，还要有地面DME应答机。

2.4 FMC导航功能的实现

FMC由无线电位置计算、导航台选择、合成速度、IRS数据混合、本地地球半径计算以及位置、速度、高度、补偿过滤器等功能电路所组成。计算机通过这一系列的综合计算最后把结果输给自动驾驶仪（A/P）和显示组件（CDU），以完成飞机的自动飞行和驾驶员对飞机的监控。

3 结论

在整个飞行阶段，都由FMS进行计算、操纵，并将飞机当时所处的准确位置、飞行速度和高度等动态数据显示给飞行员。FMS以最佳飞行路径操纵飞机，不但安全、可靠，而且大大降低了飞行成本。目前，飞行的综合管理和控制已经成为航空技术发展的潮流。先进的飞行管理系统已经在多种先进飞机上得到了广泛应用，推动航空技术迈入综合化、数字化和智能化的时代。

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