大型飞机飞行管理系统研究

大型飞机飞行管理系统研究

邹浩彦

空装驻西安地区第一军事代表室，陕西 西安 710089

摘  要：飞行管理系统（FMS）是大型飞机数字化电子系统的核心，通过组织、协调和综合机上多个电子和机电系统的功能，生成飞行计划，并在整个飞行进程中保证飞行计划的实施，实现飞行任务的自动控制。现代飞机上广泛采用的飞行管理系统是综合化的自动飞行控制系统（AFCS），集导航、制导、控制、显示、性能优化与管理功能为一体，实现飞机在整个飞行过程中的自动管理与控制。

关键词：飞行管理系统；综合化；自动化

0引言

飞行管理系统不仅能够根据飞机、发动机性能、起飞着陆机场、航路设施能力、航路气象条件及其装载情况，生成具体的全剖面飞行计划，而且能够实现多种功能，包括：通过主飞行显示系统显示和指示有关飞行信息；通过无线电通信与导航系统获得通信、空中交通和无线电导航数据；通过飞行操纵系统控制飞机的姿态；通过自动油门系统调节发动机功率；通过中央数据采集系统收集、记录和综合处理数据；通过空地数据链系统收发航行数据；通过机上告警系统提供系统监控和告警等功能。

1 飞行管理系统发展历程

飞行管理的概念最早可以追溯到20世纪20年代。自从1929年杜立特上尉历史性的目视飞行后，人们感到借助一个系统摆脱完全依靠飞行员的感官进行飞行的重要性。但飞行管理系统直到20世纪60年代才真正开始发展起来，并大致经历以下4个发展阶段：

第一阶段：上世纪60年代末至70年代初

随着区域导航系统的逐步完善，区域导航系统逐渐在民用飞机上得到广泛的应用。1971年在L-1011飞机上首次采用了区域导航系统，该系统包括一个导航计算机（NC），一个显示器（Display）和一个控制显示部件（CDU），向飞行员提供水平和垂直导航信息，这种区域导航系统便是FMS的雏形。这一阶段的应用机型是L-1011飞机。

第二阶段：上世纪70年代中后期

性能管理应用阶段，主要是由于国际油价节节攀升，给航空公司带来的成本压力。这种社会因素促进了将性能管理功能纳入到FMS系统中来。

第三阶段：上世纪80年代

区域导航系统与性能管理系统结合，进行综合管理，实现了自动飞行与最优性能管理。这种功能出现在FMS上后，较好地解决了机场附近空域的交通拥挤问题，在这一阶段中，飞行管理计算机系统（FMCS）已成为民用航空电子系统的主要子系统之一。这一阶段，应用的飞机主要有波音767、波音757型飞机。

第四阶段：上世纪90年代以来

四维导航能力逐步在FMS中得到实现。美国以及欧洲发达国家已将FMS 推向4维（3维空间加1维时间）。并将4维算法并入FMS的性能管理功能中，引导包括起飞、爬升、进航、下降、进近、自动着陆等过程，并利用闭环控制使到达机场时间的误差从1～2分钟级降至秒级。目前主流的波音、空客飞机均安装该类飞行管理系统。

第五阶段：满足FANS功能要求的飞行管理系统

第五代飞行管理系统将是高度综合与集成的系统，同时也是一个开放结构的系统。它能够满足FANS对于FMS系统的要求，实现完美的高精度飞行和可靠的告警。该类飞行管理系统在部分先进公务机和商用飞机上实现，如Learjet40/45/40XR/45XR、Boeing747/-8/400、Dassault Falcon 8X等。

2 飞行管理系统功能

飞行管理系统具备的基本功能包括：飞行计划、导航与制导、性能优化与预测、电子飞行仪表系统显示、人/机交互和空地数据链。FMF软件包含以下子功能：

1)综合导航管理功能：接收关系基准系统、卫星导航系统、大气数据计算机和无线电导航设备的信号，进行综合导航计算，以计算出最佳的位置信息，并对导航性能（精度、完好性）进行实时监视与告警。

2)飞行计划管理功能：根据人机交互管理功能接收的驾驶员输入数据，或者根据数据链应用管理功能接收的数据，从导航数据库中提取所需的导航台、航路点信息，生成完整的飞行计划，飞行计划信息将提供给FMS内部的其他功能使用。

3)性能预测与优化功能依据飞行计划、飞机和发动机性能、空中交通管制（air traffic control，ACT）要求、气象条件构建水平航迹和垂直航迹，进行速度、高度、爬升顶点、下降顶点、剩余燃油等信息的预测，并根据各种要求优化飞行速度和高度。

4)水平导航/垂直导航功能：水平导航子功能根据水平航迹和当前的位置信息，计算航迹角误差、横向误差以及滚转指令等信息；垂直导航子功能根据性能计算模块构建的垂直航迹以及导航模块计算的位置信息，计算垂直偏差和垂直导航指令。

5)数据链应用管理功能：与外部通信管理系统交联，实现空地航迹协商，能够传递各航路点的速度、预计到达时间（estimated time of arrival，ETA）等数据。

6)导航数据库管理功能：利用机载维护系统实现导航数据库的加载和下载，并为飞行计划管理、综合导航管理、人机交互管理等模块提供导航数据信息。

7)健康管理功能：依据各个功能判断的异常状态，根据预设的告警信息优先级向机组告警系统、人机交互设备发送告警提示消息，提示驾驶员相应的异常状态，以辅助驾驶员采取合适的应对方案。

8)人机交互管理功能：通过显示系统接收驾驶员操作指令信息和FMS其他模块处理指令信息，生产人机界面显示信息，并发送给显示系统进行显示。

3 飞行管理系统组成

典型的FMCS通常由飞行管理计算机（FMC）和控制与显示单元（CDU）两种组件构成。

4 飞行管理系统交联关系

FMS需要协调其他系统以及地面管制，引导飞机在管制的指挥下，沿基于飞行计划预测的期望航迹飞行。其主要与以下系统交联：

1)惯性基准系统：为FMS的综合导航计算提供位置、地速、航迹角、风速、风向、姿态、航向等导航参数。

2)大气数据计算机：为FMS提供速度、高度和温度信息。

3)多模导航接收机：为FMS提供VOR、DME、进近航向道测量的方位、距离信息。

4)通信管理单元：它是FMS与地面ATM通信的端系统和路由器。

5)MFD/MCDU：主要提供飞行计划、性能预测等信息的显示和编辑。

6)电子飞行仪表系统：包含主飞行显示器（PFD）、导航显示器（ND）和垂直状况显示器（VSD）。

7)自动驾驶和自动油门：根据FMS计算的俯仰、滚转和推力指令控制飞机的舵面偏转和推力，使飞机按照预测的四维航迹飞行。

8)燃油系统：向FMS提供油量信息。

5 关键技术

飞行管理系统的性能管理技术、飞行引导技术是关键技术。性能管理技术包含目标速度的计算、速度包线保护、性能参考参数、燃油量计算和速度带计算等，通过理论计算法、和插值计算法实现，理论计算法基于第一法则直接计算，插值计算法通过查询性能数据表插值计算[1]。飞行引导技术包含轨迹预测和轨迹引导，轨迹预测以飞行计划为基准，结合综合导航、性能数据、飞行引导模块输出信息，构建一条满足空域要求、航段约束、性能指标的水平轨迹[2]和垂直剖面。同时，解算航路点及特殊点的参数信息。基于飞行计划信息、垂直航迹预测信息、性能参数、飞行状态信息确定引导目标类型与引导目标值。

6 结论

综上所述，飞行管理系统是飞机上的重要机载设备，装备了飞行管理系统的飞机，不仅可以大量节省燃油，提高机场的吞吐能力，保证飞机的飞行安全和飞行品质，而且可以大大提高驾驶舱的综合化、自动化程度，减轻驾驶员的工作负担，带来巨大的经济效益。

参考文献

[1]张鑫博，民用飞机飞行管理系统试飞评估关键技术研究，西安电子科技大学 2013.

[2]祖肇梓，军用飞机飞行管理系统适航性应用研究，2020.