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现代民机“飞行管理系统(FMS)”的功能和组成

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发表于 2022-11-9 18:24:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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 的概念有广义和狭义之分。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 ARINC702 A-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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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?

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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到巡航高度。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到进场高度。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到着陆安全高度。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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