某型飞机GPS自动驾驶模式转弯偏航距大原因分析

摘要：GPS导航仪已成为飞机导航的重要工具，因其功能强大、交联众多且软硬件结合，故障判断分析较为复杂。本文针对某型飞机GPS自动驾驶模式转弯偏航距大的现象，对飞机GPS自动驾驶进行原理介绍，结合排故过程进行原因分析并得出结论，最后提出建议。

关键词：GPS；偏航距；转弯角度；转弯半径

Keywords：GPS；CDI；turning angle；turning radius

0 引言

某型飛机试飞时，飞行员在2101 I/O型GPS导航仪上设定三航路点飞行计划（A→B→C）以验证GPS自动驾驶功能。飞行时用GPS导航仪控制飞机自动导航，真空速为400km/h，具体飞行路线及现象如图1所示：飞机按飞行计划①进行GPS自动驾驶（转弯角度90°），飞机以21°坡度转弯，转弯时偏航距最大1.3km，后可逐步修正；飞机按飞行计划②进行GPS自动驾驶（转弯角度120°），飞机以24°坡度转弯，转弯时偏航距最大2.5km，后可逐步修正；飞机按飞行计划③进行GPS自动驾驶（转弯角度140°），飞机以25°坡度转弯，转弯时偏航距最大3.5km，后可逐步修正。图中A、B、C为设定的航路点，飞行员提出转弯时偏航距过大。

1 飞机GPS自动驾驶原理分析

该型飞机由2101 I/O型GPS导航仪与驾驶仪耦合器、自动驾驶仪交联进行自动导航，装载的GPS导航仪为美国TRIMBLE公司产品，可进行IFR航线导航、终点导航和进场导航。该导航仪内置一个12频道的接收机，用以计算位置和计算监测信号的完整度，定位精度优于15m，以三维形式计算纬度、经度和高度位置，利用全球定位系统卫星工作，完全自动，不要求任何初始化操作。

2101 I/O型GPS导航仪交联框图如图2所示。GPS导航仪通过GPS天线接收卫星信号，计算出即时位置经纬度坐标，接收大气数据系统传来的真空速信号与航姿系统传来的航向信号。GPS导航仪通过即时位置经纬度坐标、真空速和航向等参数，解算出地速、偏流角、风速、风向，再根据领航员设置的飞行计划解算出偏航距，之后把偏航距发送给航向位置指示器供飞行员使用，并把地速角、偏流角发送给地速偏流转换器。GPS导航仪输出的ARINC 429数字式地速偏流信号转换成模拟信号后被输送给地速偏流放大器，经信号放大后传送给地速偏流指示器供领航员使用。飞机设置为GPS自动驾驶模式后，GPS导航仪根据解算出的各参数、即时位置和设置的飞行计划，计算出393mV/°的交流控制信号并发送到驾驶仪耦合器，驾驶仪耦合器将该信号解调为直流信号，经内部缓冲器、调制器处理后输出给自动驾驶仪进行信号放大。自动驾驶仪依靠自动控制系统作用于飞机舵面以控制飞机在空中的姿态，它由三个较独立的通道组成：倾斜、俯仰和航向。在稳定状态（飞机水平直线飞行）下，自动驾驶仪控制飞机保持原飞行姿态不变，电位计无信号输出，此时GPS导航仪也无控制信号输出，副翼舵机不动，飞机保持直线飞行，飞机按图1飞行；当飞到离转弯点B的距离20s时（GPS导航仪按当前真空速计算），GPS导航仪输出393mV/°的交流控制信号，经一系列信号传输、处理后控制飞机转弯，控制信号在转弯过程接近下一航线BC时逐渐减小，直至为零，飞机继续直线飞行。

2 排故过程及原因分析

飞行后对故障现象进行分析，通过飞机自动导航转弯原理可知导致飞机GPS自动驾驶模式转弯偏航距大现象产生的主要因素包括：GPS导航仪本身性能、GPS导航仪交联功能、驾驶仪耦合器性能、自动驾驶仪性能、机上相关线路、航姿系统组合陀螺水平等。

领航员飞行时单独接通自动驾驶仪进行自动驾驶，各功能均正常，因此排除自动驾驶仪性能因素。GPS导航仪本身性能中对转弯有影响的参数包括GPS定位精度和自动驾驶输出，GPS导航仪返回内场后检查GPS定位，搜星正常，可以搜到8颗卫星；分析其定位的经纬度坐标，比较经度纬度坐标与基准坐标，误差在技术范围内；检查自动驾驶输出，均满足技术要求，可排除GPS导航仪本身性能因素。驾驶仪耦合器返回内场进行单件检查、与GPS导航仪实际交联检查，均满足技术要求，可排除驾驶仪耦合器因素。继而分析航姿系统组合陀螺水平因素，如果组合陀螺平面与飞机平面之间存在倾斜角度，飞机在稳定状态下将不是水平飞行而是带坡度的飞行，飞机倾斜时机翼的升力向量也会发生倾斜（升力向量在飞机未倾斜时是垂直向上的）。由于飞机在外力矩作用下转弯时会增大偏航距，需排查该因素，于是调整飞机使之处于水平状态，地平仪指示器倾斜指示为0°，查看全姿态组合陀螺的水平仪气泡，气泡处于中间位置，倾斜误差符合要求，排除了航姿系统组合陀螺水平因素。

从GPS自动驾驶原理分析，其输出的地速偏流信号仅供领航员使用，地速偏流转换器、地速偏流放大器和地速偏流指示器即使出现故障也只导致指示不正常，不影响飞机自动驾驶，因此可排除此三个产品及其线路故障。此外，航向位置指示器也仅为飞行员提供偏航距信号，即使出现故障也只导致指示不正常，不影响飞机自动驾驶，因此也可排除此航向位置指示器及其线路故障。进行大气数据计算机机上交联测试，地面通过微调手泵改变飞机静压管压力，依次给定200km/h、400km/h、600km/h的真空速，将空地开关状态设置为空中状态（GPS内部设置OLEO为AIR），按NAV键，进入导航页面，旋转内旋钮查看真空速，真空速误差均不超过±10km/h，说明大气数据计算机交联测试正常，可排除大气数据计算机及其线路故障。接着进行自动驾驶仪交联测试，将空地开关状态设置为地面状态（GPS内部设置OLEO为GROUND），接通自动驾驶仪，使之处于改平状态，旋转内旋钮，直到显示屏上显示“安装和测试设备”页，旋转导航仪上外旋钮，直到显示屏显示“输入/输出接口检查”页，将“卫星导航/自动驾驶仪”开关放在“卫星导航”位置，卫星导航指示灯亮，这时检查驾驶杆处于中立位置；向右或向左转动导航仪上小旋钮，设置显示屏上显示的角度以5°为增量从左30°到右30°，在设置角度过程中，0°时驾驶杆处于中立状态，其余角度时驾驶杆的转动方向与设置的角度方向相同，从以上现象可知自动驾驶仪交联测试正常，可排除自动驾驶仪及其线路故障。最后进行航向姿态系统交联测试，通过航向基准系统给定航向0°到360°，按NAV键，进入导航页面，旋转内旋钮查看航向，航向误差均不超过1°，航向交联测试正常。从以上分析，可排除GPS导航仪交联功能及机上相关线路故障因素。

对飞机试飞的3条飞行计划进行逐项分析：

1）飞机按图1的飞行计划①进行GPS自动驾驶，飞行时飞机以21°坡度转弯，通过计算可得出转弯半径R=1112÷（9.8×tan21°）≈3275m。如图3中①所示，飞机从D点开始，按虚线圆轨迹运动，在转弯过程第 2次接近下一航线BC时逐渐自动修正，直至直线飞行。图3①中D点为GPS导航仪设定的提前20s转弯点，BD=111×20=2220m，可得出理论最大偏航距MN= R-BD=1055m，与实际飞机转弯时最大偏航距1.3km接近。因转弯坡度由零到最大需要一定的时间，且飞机飞行时侧风等因素也会影响飞机转弯时的最大偏航距，故按第1条飞行计划飞行时的实际最大偏航距是正常值。

2）飞机按图1的飞行计划②进行GPS自动驾驶，飞行时飞机以24°坡度转弯，通过计算可得出转弯半径R=1112÷（9.8×tan24°）≈2823m。如图3②所示，飞机从D点开始，按虚线圆轨迹运动，在转弯过程中第2次接近下一航线BC时逐渐自动修正，直至直线飞行。图3②中D点为GPS导航仪设定的提前20s转弯点，BD=111×20=2220m，可知OE=BD-EF= 2220-R×tan30°=590m，得出理论最大偏航距MN=R-OM=R-OE×COS30°≈2312m，也与实际飞机转弯时最大偏航距2.5km接近，故按第2条飞行计划飞行时的实际最大偏航距是正常值。

3）飞机按图1的飞行计划③进行GPS自动驾驶，飞行时飞机以25°坡度转弯，通过计算可得出转弯半径R=1112÷（9.8×tan25°）≈2696m。如图3③所示，飞机从D点开始，按虚线圆轨迹运动，在转弯过程中第2次接近下一航线BC时逐渐自动修正，直至直线飞行。图3③中D点为GPS导航仪设定的提前20s转弯点，BD=111×20=2220m，可知OE=RDE= R-BD×tan40°≈2696-2220×0.839≈833m，得出理论最大偏航距MN=ON+OM= R+OE×cos40°≈3334m，也与实际飞机转弯时最大偏航距3.5km接近，故按第3条飞行计划飞行时的实际最大偏航距是正常值。

此外，AC-91-FS-2008-09《在航路和终端区实施RNAV1和RNAV2的运行指南》规定“对于正常运行，横向航迹误差或偏离应控制在相关程序或航路导航精度的±1/2以内，RNAV2为1.0nm，允许在程序或航路转弯后出现最大为导航精度1倍的短暂偏离，RNAV2为2.0nm”。试飞中出现的最大偏航距为3.5km，即1.89nm，已满足RNAV2的标准，因此从标准上分析也是正常的，在传统导航的保护区内可安全飞行。

3 结论

飞机在GPS自动驾驶模式转弯时，偏航距受飞行计划转弯角度、飞机转弯半径等因素影响，其中受飞行计划转弯角度影响最大，该角度越大偏航距越大，该角度较大时最大偏航距为3.5km，属于正常现象。

不建议设置大转弯角度飞行计划，如确实需要，采用在飞行计划中增加1个或2个过渡航路点方法，可有效减小最大偏航距。

参考文献

[1] FREEFLIGHT. 2101 I/O GPS INSTALLATION AND CHECK MANUAL[Z].

[2] 李天文. GPS原理及应用[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 刘基雨. GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京：科學出版社，2003.

[4] 中国民用航空局飞行标准司. AC-91-FS-2008-09 在航路和终端区实施RNAV1和RNAV2的运行指南[S].

作者简介

周国栋，高级工程师，主要从事机载无线电雷达修理技术研究工作。