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    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成

    2022-10-16 16:26| 發布者: mikate 1079 1

    摘要: 01 什么是 “飛行管理系統”?飛行管理系統(FMS, Flight Management System),中文簡稱 “飛管”,是飛機航電系統的重要一員。FMS 自 20 世紀 70 年代誕生以來,目前已有了跨越式發展。它作為航電關鍵系統,在現代 ...

    01 什么是 “飛行管理系統”?


    飛行管理系統(FMS, Flight Management System),中文簡稱 “飛管”,是飛機航電系統的重要一員。

    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成-5597


    FMS 自 20 世紀 70 年代誕生以來,目前已有了跨越式發展。它作為航電關鍵系統,在現代民用飛機上均有配備。

    現代民機飛行管理系統,可對飛行計劃進行管理,對飛行時間、飛行距離、飛行速度、飛行高度、經濟剖面、飛行航跡等進行預測,使飛機實現全自動導航,并以最佳飛行路徑、最佳飛行剖面和最省油的方式飛行。

    因此,FMS 在整個飛行過程中,可以協助飛行員完成從起飛到著陸的各項任務,從而大大減輕飛行機組負擔,提升飛機操縱的自動化程度,縮短飛行時間,提高飛機的安全性和經濟性

    FMS 機上接口眾多,與顯示系統、無線電導航系統、大氣數據系統(ADS,Air Data System)、慣性參考系統(IRS,Inertial Reference System)、飛控系統、燃油系統、起落架系統、發動機控制系統等均有交聯關系。

    FMS 的概念有廣義狹義之分。廣義的 FMS,涵蓋了慣性參考、大氣數據、自動飛行、顯示等關鍵交聯系統的部分功能和設備;而狹義的 FMS,則特指飛管計算機、人機接口及相關核心功能等。

    02 FMS 的主要功能


    根據美國航空無線電公司發布的 ARINC702 A-3,飛管計算機系統的功能包括了綜合導航、飛行計劃、水平與垂直導引、性能計算、軌跡預測、航線運營通信(AOC,Airline Operational Communication)、機場導引、導航數據庫等。

    這里挑選了飛行計劃管理、導航、水平和垂直導引、性能計算和軌跡預測等核心功能,進行簡要介紹。

    根據空客 A380、中國商飛 C919 等主流機型的實踐經驗,FMS 相關功能失效,一般不會導致災難級影響,因此其功能研制保證等級FDAL(Functional Development Assurance Level)通常定義為 B

    A. 飛行計劃管理

    機組人員可以通過 FMS 創建、編輯、保存多個飛行計劃,包括當前飛行計劃、備用飛行計劃等。

    FMS 可以從本地導航數據庫中,提取導航數據信息,建立從起飛機場到目的地機場的完整航路(包括機場、航路點、航路、標準離場和進場程序),計算航段距離、時間、速度以及油耗等飛行計劃參數,從而實現飛行計劃管理功能。

    B. 飛機導航

    包括飛機實時位置計算無線電調諧等。

    FMS 可利用慣性參考傳感器、大氣數據傳感器等信息,計算飛機的水平位置、垂直位置、空速、地速、飛行軌跡、偏航角等,以支持飛機導航。

    FMS 可以針對儀表著陸系統 (ILS,Instrument Landing System)、全球導航衛星著陸系統 (GLS,GNSS Landing System)、甚高頻全向信標 (VOR,VHF Omnidirectional Range) 等導航無線電設備,進行管理和調諧。以支持飛機位置計算,自動設置 ILS/GLS 進近等。

    C. 水平和垂直導引

    FMS 可計算用于導引當前水平飛行計劃的滾轉角目標值,計算用于導引當前垂直飛行計劃的高度目標、速度目標、發動機推力目標等。

    FMS 通過與自動飛行系統交聯,在飛機飛行過程中實施水平和垂直導引,引導飛機按照預定的高度、航向和速度飛行。

    D. 性能計算和軌跡預測

    FMS 可結合當前和備用飛行計劃,使用性能數據庫中的數據,來計算飛機性能參數。包括最優高度、爬升/巡航/下降最優速度、起飛和著陸參考速度等。

    FMS 可以根據飛行計劃提供的基本航路信息,在水平方向上進行軌跡計算。計算飛行計劃每個航路點的實際軌跡數據,主要包括航段間過渡、轉彎速度、轉彎半徑、完整水平軌跡的建立等。

    在飛行計劃和水平軌跡的基礎上,利用性能數據庫中的性能數據,對起飛、爬升、巡航、下降、進近等階段,進行垂直方向上的軌跡計算,優化垂直飛行剖面。主要包括各航段的最優高度、最優速度、爬升/下降頂點等。

    03 傳統 FMS的主要組成


    傳統的飛行管理系統,包括飛管計算機 FMC(Flight Management Computer)和控制顯示組件 CDU(Control & Display Unit)。

    FMS 通常為兩余度設計,其 CDU 安裝在中央操縱臺上,分別提供給主駕和副駕使用。下圖是空客 A320 駕駛艙安裝示意。

    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成-397


    A. 飛管計算機 FMC

    FMC 中運行著飛管軟件,以實現飛行管理的各項功能。同時 FMC 也包含了導航數據庫和性能數據庫。

    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成-9415


    導航數據庫,是 FMS 所特有的一個數據庫,是實現導航功能的關鍵。

    導航數據庫包含了飛機從起飛到著陸,整個區域的導航信息。包括飛行區域的機場信息(機場位置/標高、跑道方位/長度等)、航路信息(航路類型、高度、航向、航段距離、航路點說明等)、導航臺(位置、頻率、標高等)、終端區域程序(轉彎、等待、復飛、進近)等。

    導航數據庫中的信息,可用于確定飛機位置,進行導航計算及導航臺自動調諧管理,從而正確完成從出發機場到目的機場的導航任務。

    性能數據庫,是用于飛機垂直導航進行性能優化計算,所需的數據,一般與飛機氣動外形和發動機有關。

    性能數據庫主要包括飛機氣動模型信息(機翼面積、發動機數量、飛行包線、升力特性曲線、飛機極曲線、各類重量信息等)、發動機信息(燃油消耗特性曲線、各狀態點推力曲線等)、大氣和風等環境數據。

    在輸入的飛行計劃和這兩個數據庫的基礎上,FMC 接收來自大氣數據、慣性參考等系統發來的信息進行位置計算,接收襟縫翼位置、起落架輪載、燃油量、發動機狀態等信息完成性能計算和軌跡預測

    B. 控制顯示組件 CDU

    CDU 提供了飛行員與飛管計算機之間交互的接口,不同飛機制造商對其叫法不同。

    例如空客 A320 飛機就稱其為 MCDU (多功能控制顯示組件,Multi-functional Control & Display Unit)。

    CDU 面板主要包括顯示屏、行選鍵、功能方式鍵、字母數字鍵等。飛行員可以通過操作 CDU,進入飛行計劃、無線電導航等頁面,輸入飛行計劃和基本性能參數。

    下圖是空客 A320 的 MCDU。

    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成-4859


    下圖是波音 777 的 CDU。1 是 CDU 顯示頁面;2 是行選鍵;3-6是指示燈及明亮度控制鍵。

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    04 現代 FMS的主要組成


    與傳統的飛管系統相比,現代民機飛管系統,雖然實現的功能大同小異,但隨著綜合模塊化航空電子IMA,Integrated Modular Avionics)的快速發展,出于飛機集成與綜合的考慮,FMS 的物理組成也有所不同。

    特點一:操作顯示,集成在顯示系統

    A. 空客 A380

    A380 不再使用傳統的 MCDU,而是采用 CDS(Control and Display System,控制和顯示系統)、KCCU(Keyboard and Cursor Control Unit,鍵盤鼠標控制單元),作為人機交互的接口。

    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成-8508


    A380 有兩套 FMS,分別給主駕和副駕使用。但 A380 配置了三臺飛管計算機 FMC,掛接在航電全雙工交換式以太網 AFDX 上 (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)。

    FMS1 連接 FMC-A,FMS2 連接 FMC-B。當 FMC-A 和/或 FMC-B 失效后,FMC-C 可作為這兩臺飛管計算機的備份

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    B. 波音 787

    與空客 A380 類似,787 的 MFD 可通過圖形化界面,顯示傳統 CDU 的內容。同時增加了兩個多功能鍵盤 MFK(Multifunction Keypad),供主副駕駛使用。

    下圖是波音 787 與 777 駕駛艙顯示系統和 CDU 的對比。

    現代民機“飛行管理系統(FMS)”的功能和組成-1536


    下圖是波音 787 的 MFK。1 是 CDU 圖形化顯示開關;2 是上一頁/下一頁鍵;3/4 是執行燈和執行鍵。

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    C. 中國商飛 C919

    與空客 A380 類似,C919 也不采用傳統的 CDU 形式,而是通過鼠標鍵盤提供操作輸入,通過顯示系統提供操作頁面顯示。

    特點二:FMS軟件,駐留在公共平臺

    現代民機航電核心系統,一種公共處理器可以宿主多個應用軟件,因此可大大減少了航電設計所需要的模塊數量。

    A. 波音 787

    787 的飛管軟件,就駐留在公共核心系統CCS(Common Core System)中。CCS 是一個高完整性的公共數據網絡(A664 網絡),同時為駐留的其他系統軟件提供了高完整性計算資源。

    CCS 通過遠程數據集中器 RDC(Remote Data Concentrators),與機上其他 LRU 交聯。

    B. 中國商飛 C919

    與波音 787 類似,C919 也不再配備專門的飛管計算機,而是將軟件駐留在航電核心處理平臺中,通過 A664 網絡實現通信和控制。

    05 飛行中,FMS扮演什么角色?

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    A. 起飛前(Before Take Off)

    飛行員通過 FMS 接口輸入飛行計劃,包括起飛機場、離場程序、航路點、進場程序、目的機場等,FMS 計算飛行路徑。

    飛行員通過 FMS 接口輸入飛機重量、巡航高度、燃油量、環境溫度等性能數據,FMS 計算最佳起飛推力和飛機飛行的垂直剖面。

    B. 爬升階段(Climb)

    爬升階段一般指從起飛安全高度巡航高度。當飛行高度 400ft,飛行員接通橫向導航(L-NAV)和垂直導航(V-NAV),FMS 實現飛機的水平和垂直導航

    FMS 根據飛行員選擇的目標推力和目標速度,計算最佳爬升剖面(爬升角度和爬升速度),并給出分段爬升和爬升頂點高度的建議。

    C. 巡航階段(Cruise)

    FMS 計算最佳巡航速度和高度,兩機場之間采用大圓航線的路徑飛行。

    注:大圓航線在地球上的投影看似曲線,但相比地球投影是直線的航線,實際飛行距離更短。

    D. 下降階段(Descend)

    下降階段一般指從巡航高度進場高度。FMS 會根據飛行員輸入和導航數據庫,確定飛機開始下降的頂點,并計算下降速度,最大限度地利用飛機高度勢能,從而節省燃油

    E. 進近階段(Approach)

    進近階段一般指從進場高度著陸安全高度。FMS 會計算最優速度,引導飛機到跑道入口和著陸點。

    好的,FMS 的介紹就是這樣,如有疑問,歡迎點評、留言~

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