现代民机“飞行管理系统”的功能和组成

01 什么是 “飞行管理系统”?

飞行管理系统(FMS, Flight Management System),中文简称 “飞管”,是飞机航电系统的重要一员。

FMS 自 20 世纪 70 年代诞生以来,目前已有了跨越式发展。它作为航电关键系统,在现代民用飞机上均有配备。

现代民机飞行管理系统,可对飞行计划进行管理,对飞行时间、飞行距离、飞行速度、飞行高度、经济剖面、飞行航迹等进行预测,使飞机实现全自动导航,并以最佳飞行路径、最佳飞行剖面和最省油的方式飞行。

因此,FMS 在整个飞行过程中,可以协助飞行员完成从起飞到着陆的各项任务,从而大大减轻飞行机组负担,提升飞机操纵的自动化程度,缩短飞行时间,提高飞机的安全性和经济性

FMS 机上接口众多,与显示系统、无线电导航系统、大气数据系统(ADS,Air Data System)、惯性参考系统(IRS,Inertial Reference System)、飞控系统、燃油系统、起落架系统、发动机控制系统等均有交联关系。

FMS 的概念有广义狭义之分。广义的 FMS,涵盖了惯性参考、大气数据、自动飞行、显示等关键交联系统的部分功能和设备;而狭义的 FMS,则特指飞管计算机、人机接口及相关核心功能等。

02 FMS 的主要功能

根据美国航空无线电公司发布的ARINC702A-3,飞管计算机系统的功能包括了综合导航、飞行计划、水平与垂直导引、性能计算、轨迹预测、航线运营通信(AOC,Airline Operational Communication)、机场导引、导航数据库等。

这里挑选了飞行计划管理、导航、水平和垂直导引、性能计算和轨迹预测等核心功能,进行简要介绍。

根据空客 A380、中国商飞 C919 等主流机型的实践经验,FMS 相关功能失效,一般不会导致灾难级影响,因此其功能研制保证等级FDAL(Functional Development Assurance Level)通常定义为B

A. 飞行计划管理

机组人员可以通过 FMS 创建、编辑、保存多个飞行计划,包括当前飞行计划、备用飞行计划等。

FMS 可以从本地导航数据库中,提取导航数据信息,建立从起飞机场到目的地机场的完整航路(包括机场、航路点、航路、标准离场和进场程序),计算航段距离、时间、速度以及油耗等飞行计划参数,从而实现飞行计划管理功能。

B. 飞机导航

包括飞机实时位置计算无线电调谐等。

FMS 可利用惯性参考传感器、大气数据传感器等信息,计算飞机的水平位置、垂直位置、空速、地速、飞行轨迹、偏航角等,以支持飞机导航。

FMS 可以针对仪表着陆系统 (ILS,Instrument Landing System)、全球导航卫星着陆系统 (GLS,GNSS Landing System)、甚高频全向信标 (VOR,VHF Omnidirectional Range) 等导航无线电设备,进行管理和调谐。以支持飞机位置计算,自动设置 ILS/GLS 进近等。

C. 水平和垂直导引

FMS 可计算用于导引当前水平飞行计划的滚转角目标值,计算用于导引当前垂直飞行计划的高度目标、速度目标、发动机推力目标等。

FMS 通过与自动飞行系统交联,在飞机飞行过程中实施水平和垂直导引,引导飞机按照预定的高度、航向和速度飞行。

D. 性能计算和轨迹预测

FMS 可结合当前和备用飞行计划,使用性能数据库中的数据,来计算飞机性能参数。包括最优高度、爬升/巡航/下降最优速度、起飞和着陆参考速度等。

FMS 可以根据飞行计划提供的基本航路信息,在水平方向上进行轨迹计算。计算飞行计划每个航路点的实际轨迹数据,主要包括航段间过渡、转弯速度、转弯半径、完整水平轨迹的建立等。

在飞行计划和水平轨迹的基础上,利用性能数据库中的性能数据,对起飞、爬升、巡航、下降、进近等阶段,进行垂直方向上的轨迹计算,优化垂直飞行剖面。主要包括各航段的最优高度、最优速度、爬升/下降顶点等。

03 传统 FMS的主要组成

传统的飞行管理系统,包括飞管计算机 FMC(Flight Management Computer)和控制显示组件 CDU(Control & Display Unit)。

FMS 通常为两余度设计,其 CDU 安装在中央操纵台上,分别提供给主驾和副驾使用。下图是空客 A320驾驶舱安装示意。

A. 飞管计算机 FMC

FMC 中运行着飞管软件,以实现飞行管理的各项功能。同时 FMC 也包含了导航数据库和性能数据库。

导航数据库,是 FMS 所特有的一个数据库,是实现导航功能的关键。

导航数据库包含了飞机从起飞到着陆,整个区域的导航信息。包括飞行区域的机场信息(机场位置/标高、跑道方位/长度等)、航路信息(航路类型、高度、航向、航段距离、航路点说明等)、导航台(位置、频率、标高等)、终端区域程序(转弯、等待、复飞、进近)等。

导航数据库中的信息,可用于确定飞机位置,进行导航计算及导航台自动调谐管理,从而正确完成从出发机场到目的机场的导航任务。

性能数据库,是用于飞机垂直导航进行性能优化计算,所需的数据,一般与飞机气动外形和发动机有关。

性能数据库主要包括飞机气动模型信息(机翼面积、发动机数量、飞行包线、升力特性曲线、飞机极曲线、各类重量信息等)、发动机信息(燃油消耗特性曲线、各状态点推力曲线等)、大气和风等环境数据。

在输入的飞行计划和这两个数据库的基础上,FMC 接收来自大气数据、惯性参考等系统发来的信息进行位置计算,接收襟缝翼位置、起落架轮载、燃油量、发动机状态等信息完成性能计算和轨迹预测

B. 控制显示组件 CDU

CDU提供了飞行员与飞管计算机之间交互的接口,不同飞机制造商对其叫法不同。

例如空客 A320 飞机就称其为MCDU(多功能控制显示组件,Multi-functional Control & Display Unit)。

CDU 面板主要包括显示屏、行选键、功能方式键、字母数字键等。飞行员可以通过操作 CDU,进入飞行计划、无线电导航等页面,输入飞行计划和基本性能参数。

下图是空客 A320的 MCDU。

下图是波音 777的 CDU。1 是 CDU 显示页面;2 是行选键;3-6是指示灯及明亮度控制键。

04 现代 FMS的主要组成

与传统的飞管系统相比,现代民机飞管系统,虽然实现的功能大同小异,但随着综合模块化航空电子IMA,Integrated Modular Avionics)的快速发展,出于飞机集成与综合的考虑,FMS 的物理组成也有所不同。

特点一:操作显示,集成在显示系统

A. 空客 A380

A380 不再使用传统的 MCDU,而是采用CDS(Control and Display System,控制和显示系统)、KCCU(Keyboard and Cursor Control Unit,键盘鼠标控制单元),作为人机交互的接口。

A380 有两套 FMS,分别给主驾和副驾使用。但 A380 配置了三台飞管计算机 FMC,挂接在航电全双工交换式以太网 AFDX上 (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)。

FMS1 连接 FMC-A,FMS2 连接 FMC-B。当 FMC-A 和/或 FMC-B 失效后,FMC-C 可作为这两台飞管计算机的备份

B. 波音 787

与空客 A380 类似,787 的 MFD 可通过图形化界面,显示传统 CDU 的内容。同时增加了两个多功能键盘 MFK(Multifunction Keypad),供主副驾驶使用。

下图是波音 787 与 777 驾驶舱显示系统和 CDU 的对比。

下图是波音 787 的MFK。1 是 CDU 图形化显示开关;2 是上一页/下一页键;3/4 是执行灯和执行键。

C. 中国商飞 C919

与空客 A380 类似,C919 也不采用传统的 CDU 形式,而是通过鼠标键盘提供操作输入,通过显示系统提供操作页面显示。

特点二:FMS软件,驻留在公共平台

现代民机航电核心系统,一种公共处理器可以宿主多个应用软件,因此可大大减少了航电设计所需要的模块数量。

A. 波音 787

787 的飞管软件,就驻留在公共核心系统CCS(Common Core System)中。CCS 是一个高完整性的公共数据网络(A664网络),同时为驻留的其他系统软件提供了高完整性计算资源。

CCS 通过远程数据集中器RDC(Remote Data Concentrators),与机上其他 LRU 交联。

B. 中国商飞 C919

与波音 787 类似,C919 也不再配备专门的飞管计算机,而是将软件驻留在航电核心处理平台中,通过A664网络实现通信和控制。

05 飞行中,FMS扮演什么角色?

A. 起飞前(Before Take Off)

飞行员通过 FMS 接口输入飞行计划,包括起飞机场、离场程序、航路点、进场程序、目的机场等,FMS 计算飞行路径。

飞行员通过 FMS 接口输入飞机重量、巡航高度、燃油量、环境温度等性能数据,FMS 计算最佳起飞推力和飞机飞行的垂直剖面。

B. 爬升阶段(Climb)

爬升阶段一般指从起飞安全高度巡航高度。当飞行高度 400ft,飞行员接通横向导航(L-NAV)和垂直导航(V-NAV),FMS 实现飞机的水平和垂直导航

FMS 根据飞行员选择的目标推力和目标速度,计算最佳爬升剖面(爬升角度和爬升速度),并给出分段爬升和爬升顶点高度的建议。

C. 巡航阶段(Cruise)

FMS 计算最佳巡航速度和高度,两机场之间采用大圆航线的路径飞行。

注:大圆航线在地球上的投影看似曲线,但相比地球投影是直线的航线,实际飞行距离更短。

D. 下降阶段(Descend)

下降阶段一般指从巡航高度进场高度。FMS 会根据飞行员输入和导航数据库,确定飞机开始下降的顶点,并计算下降速度,最大限度地利用飞机高度势能,从而节省燃油

E. 进近阶段(Approach)

进近阶段一般指从进场高度着陆安全高度。FMS 会计算最优速度,引导飞机到跑道入口和着陆点。

好的,FMS 的介绍就是这样,如有疑问,欢迎点评、留言~

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