A320飞机系统(22)——自动飞行(基础)

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飞行自动驾驶仪被发明的时间几乎和飞机的发明一样早。空客的自动飞行设计思路是计算机拥有全权保护功能，无论飞行员如何操纵飞机都不会导致失控。如果需要人工超控时，需要飞行机组人工降低计算机的控制权限。近年来空客更是提出了Autonomous Taxi, Takeoff and Landing (ATTOL) 计划，并在2020年验证了自动起飞功能。

正因为遵循这种发展思路，空客四条金科玉律的第一条涉及基本飞行原理，剩下三条全是关于自动飞行的管理。



在A320飞机系统（27）——飞行控制（基础）中，我们提及飞行器的姿态控制分为三轴（俯仰、滚转和偏航），由此形成的飞行轨迹可以分解为水平加减速、垂直爬升下降和水平左右转弯。

传统固定翼飞机大多是具有静稳定性的（受外力影响后恢复初始状态的趋势），但是因此也会限制飞行性能。为了获得更好的性能，A320飞机成为第一款放宽静稳定度设计的民航客机，由此也产生飞机的操纵性会变差的问题。因此，空客引入飞行增稳系统（Flight Augmentation）用于在人工和自动控制模式下增加飞机的可控性。进一步讲，全权控制飞行的计算机有能力将飞行参数控制在一个合理的安全范围内，这被称为飞行包线（envelope），飞行增稳功能显然也属于飞行包线的一部分。

完整的飞行包线并不能够在一个图表中展示，其中最重要的一个是速度包线。

特征速度，Vs，VLS，F，S，O。

限制速度，Va，Vmcg，Vmca，Vmcl，Vfe，Vle，Vlo，Vmo。

保护速度，Vα prot，Vα max，Vsw，Vmax。

其他速度，V1，Vr，V2，Vref，Vapp。

为加深对包线的理解，请参阅飞机的重心包线：



请参阅本文封面图：在电传飞控系统的框架下，自动驾驶系统（AFS）不会直接控制飞控舵面的偏转，它将飞机的飞行轨迹需求（order）发送给飞行控制系统，由电传飞控系统通过控制舵面执行动作。飞机的推力需求（order）则由AFS发送给FADEC，由此控制发动机推力。飞行包线需求（order）则通过计算机保护和功能将相关飞行参数控制在合理的范围内。

结合金科玉律，AFS不仅参与了飞行控制（Fly）的自动控制，也将导航控制（Navigate）的大部分工作实现了自动化。监控（34章）和通讯（23章）功能的自动控制则均属于通讯（Communicate）的部分。

A320和A350飞机的自动飞行系统之间存在差异，但是其关于自动飞行系统（22章）和飞行控制系统（27章）间的紧密联系是一致的。尤其在A350的FCOM中单独分出一个章节（22-27）用来描述两个系统相融合的部分。这也从侧面证明了飞行控制在自动飞行系统中的重要位置。

A320自动飞行系统的控制内容：

水平加减速，A/THR。

垂直爬升和下降引导，PITCH。

水平左右转弯引导，ROLL+YAW。

飞行包线（飞控保护、最小地速功能、迎角平台保护等）。

飞机位置等。

飞行计划等。

A320自动飞行系统的子系统：

硬件概述，FMGC和FAC等。

飞行管理（FM）。

飞行引导（FG）。

飞行增稳（FA）。

其他功能（AOC等）。

本文只讨论1，2，4，5部分，飞行引导将在后续文章中介绍。由于自动飞行系统内容细节丰富，本文仅以整体学习的思路对系统进行认识了解，具体设备和功能的描述并不是本文的重点。
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电传侧杆、机械方向舵、无后台驱动油门杆和飞控保护法则等系统。内置性能数据库、导航数据库、地形数据库、磁变量数据库、气象雷达数据库等参数。以及其他飞机系统共同为自动飞行系统搭建了一个硬件的平台。自动飞行系统的出现给飞机注入了“自我意识”。

A320自动飞行系统的设备：

2部飞行管理和引导计算机（FMGC）。

2部飞行增稳计算机（FAC）。

2部多功能控制和显示组件（MCDU）。

1个飞行控制组件（FCU）。

FMGC的部件和功能：

FM，控制水平/垂直导航，飞行计划等。

FG，AP、FD、A/THR指令。

FAC的功能：

偏航控制，包括偏航阻尼，方向舵配平，方向舵行程限制。

飞行包线功能，包括PFD速度带，迎角平台保护。

低能量语音警告。

风切变探测功能。

其他控制器的系统显示和使用特点在此不做描述，具体请参阅手册。

MCDU。

FCU。

EFIS。

PFD/ND。

油门杆。

由于A320飞机的方向舵功能几乎是完全自动控制，因此在正常操作中飞行机组应遵守FCTM的要求小心使用方向舵。有关方向舵的控制的大部分内容也就被划分到自动飞行章节，而非留在飞行控制章节。

FMGC的FM功能和FG功能负责飞行需求的控制，FAC的FA功能和ELAC的飞控保护功负责飞行包线的控制。来自FMGS的自动控制信号只传输给FAC和ELAC，SEC则需要通过ELAC间接获得FMGC的控制信号（请参阅27章-飞控结构图）。



下图是自动飞行系统简图：



综合以上，可以看出A320的FMGS就是AFS，FMGC就是AFS的主机。FMGC和FAC是一对分不开的搭档，MCDU和FCU是相关输入输出设备。有新闻表示空客近期正和霍尼韦尔合作研发新一代的飞行管理系统（FMS），新系统硬件性能将优于当前设备的15倍，并预计在2026年底投入使用。

FMGS有三种工作模式和一种故障模式：

两部模式，两部FMGC正常工作并交换数据（包括MCDU交叉控制）。

独立模式，两部FMGC正常工作并不会交换数据（只能由相关MCDU控制）。

一部模式，一部FMGC故障，系统由另一部控制。

备份导航，两部FMGC故障，系统仅使用MCDU恢复部分导航功能（选装）。

当FMGC以两部模式正常工作时，系统会根据AP/FD的接通情况决定FMGC的主用逻辑。

接通一部AP。

接通两部AP。

未接通AP时，接通一部或两部FD。

未接通AP/FD。

因为FMGC是系统的主机，所以当FMGC故障时不会像一般情况下在ECAM上跳出具体的故障信息，也就不会有相关的ECAM处置程序。所以FMGC故障或降级的处置只能参考DSC-22-20-90非正常操作中的FMGC的复位信息。相关信息也可参阅文章：AEP程序（03）——双FMGC故障。



飞行机组与FMGC的界面：

下图中的RNP按钮是早期飞机的选装设备，此功能在当前构型中已经被合并，故不再有此选装（类似的有A318的STEEP APPR功能）。



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最原始的位置估算和导航使用的是地标领航，当无线电导航台出现后使用距离方位数据可以确定飞机的位置，惯导系统可以让飞机在没有外界参考的情况下自动计算飞机位置，星基导航的普及让PBN运行成为主流。

FM的主要功能：

位置计算。

无线电调谐。

校准惯导。

性能计算。

飞行计划。

飞机的位置计算：

惯导位置，系统计算获得MIX IRS，自动修正漂移和拒选故障IR。

GPS位置，系统使用GPS位置计算混合位置GPIRS（GPS+IRS），自动监控GPS数据完整性。

无线电位置，系统使用VOR/DME/LOC导航台计算无线电位置。

飞行管理位置，FM最终使用的位置，正常是GPIRS位置。

位置计算使用的数据中，GPS位置和无线电位置是外部信号，MIX IRS是机载设备数据。为了修正偏差，FMGC会使用无线电位置和GPS位置持续更新FM位置。当部分导航数据不可用时，系统会自动进入降级的导航模式。

FMGS的导航模式，优先级由高到低：

IRS-GPS。

IRS-DME/DME。

IRS-VOR/DME。

IRS。

为了在着陆期间获得更准确的位置，系统会在ILS进近期间使用LOC信号执行临时的水平位置更新，方法是在当前的导航模式上增加LOC信号。

飞机的位置修正：

三部IRS会消除偏差获得MIX IRS位置。

系统会监控GPS的水平完整性（HIL）。

可用人工拒选不可用导航台以消除无线电位置错误。

BIAS，系统计算MIX IRS到GPIRS或无线电位置的偏移并储存，用于在导航降级后更新位置。

预计的位置不准确性（EPU），系统计算的预计位置偏移量。以此反映导航精度。

起飞更新，系统会在起飞前修正减跑道起飞造成的位置偏差。

极地运行，IRS的使用限制具体请参阅LIM章节。

在...的位置更新（POSITION UPDATE AT）功能，允许人工修改FM的位置和偏差（应极其小心使用此功能！）。

飞机的位置监控：

GPS PRIMARY，GPS主用由导航精度（ACCUR）和系统完整性（HIL）共同决定。

ACCUR HIGH/LOW，由所需精度（RNP）和建立精度（EPU）比较的大小决定。

NAV FM/GPS POS DISAGREE，具体偏差参数请参阅DSC-22-20-20。

无线电调谐：

正常的无线电调谐是全自动的，系统根据需求自行使用相关的导航台。更多信息请参阅DSC-34导航，DSC-31指示和记录。以及A320飞机系统（34）——导航。

无线电导航台的调谐方式：

自动。


人工。


备份。

校准惯导：

航前准备时，飞行机组需要对惯导系统进行人工校准。校准的条件和方法请参阅手册描述。

校准的条件，FCOM-SOP-驾驶舱准备-顶板。

校准的方式，完整校准和快速校准。FCTM-SOP-驾驶舱准备。

位置的起始，人工输入或GPS位置。FCOM-DSC-22-20-20-40。FCOM-SRP-01-10。

性能计算：

FMGS通过优化速度，飞行高度和下降剖面来减少成本。同时也在MCDU和PFD上通过符号指示飞行计划的预测值。受运行环境的影响，目前FMGS的性能计算和预测并不能一直保证提供准确的参考。飞行机组对于节约成本和下降剖面计算仍以运行经验为主，相关信息请参阅飞行程序（05）——下降剖面（descent profile）。在新版计算机上已经装有下降剖面的优化功能（DPO），未来4D Trajectory 概念也将成为空中交通管制的趋势。

飞行计划：

FMGS可以储存2个飞行计划（一个现用，一个备用），每个飞行计划都可以拆分为水平计划和垂直计划。

水平计划由离场，航路，进场和备降组成，其中各部分仍可以继续细分。

垂直计划由航前，起飞，爬升，巡航，下降，进近，复飞和航后组成。

水平计划的5个项目：

当前计划的主降场部分。

当前计划的备降场部分。

第二计划的主降场部分。

第二计划的备降场部分。

临时计划。

垂直计划包括的3类数据：

策略数据，如CI，CRZ FL，ZFWCG等。

战术数据，如速度高度和时间限制等。

天气数据，如风，温度，气压，对流层高度等。

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飞控系统的偏航控制需求（order）由ELAC输出给FAC计算机，FAC负责方向舵的控制。FAC的飞行包线功能会向飞控系统提供速度和迎角参考，以协助ELAC实现飞控保护和相关功能。

需注意，飞控保护的生效和控制都是由ELAC控制，FAC计算的保护速度并不是触发飞控保护的条件。

FAC的主要功能：

偏航功能。

飞行包线功能。

低能量语音警告功能。

风切变探测。

ADR提供的PFD的速度带刻度和实时速度指示，FAC计算并提供了所以的速度指示和速度变化趋势箭头。其中，FAC使用气动数据计算特征速度并显示在PFD上，FMS使用MCDU数据计算特征速度并显示在MCDU上。此时可能存在PFD和MCDU速度不一致的情况，所以新构型飞机的FAC使用FMS的全重来计算PFD上的特征速度，并将气动数据作为备份。

飞机的指示空速（IAS）影响气动性能（操纵质量），飞机的地速影响飞机的能量水平（安全包线），飞机的迎角同时影响以上两者。

当表速很大但地速很小时，飞机可控但接近安全包线的边缘，所以在五边进近期间需要最小地速功能来维持相对安全的能量水平。

当飞机的减速率异常变化时，低能量语音警告会提醒机组增加推力和控制俯仰以维持飞机的能量等级。

当表速和地速都正常但迎角过大时，需要迎角平台保护功能来提醒和接管机组。

风切变探测原理同样以迎角来表示能量水平，同时也会参考其他性能参数（如速度，坡度等）。

迎角平台保护和低能量语音警告出现的先后顺序并不固定。在减速期间，一般是先触发SPEED后出现α floor，两者出现的间隔取决于飞机的减速率。如果在减速期间偏转侧杆可能导致先出现α floor。

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自动飞行（基础）系统思考题：

人工控制，自动控制和选择引导，管理引导之间有何关系？

当全权控制计算机错误时，如何人工接管？程序是否允许人工进入备份法则？如何进入？

什么是短期策略和长期策略？

如何判断FMGC是否有具体离场的EOSID程序？如何生效该程序？

FMGC何时会执行自动复位？如何复位？

FMGC故障的现象有哪些？

FMGC的备份导航有哪些功能？如何使用？

FMGC如何判定单发？单发后有何现象？

放构型的标牌速度是固定的，收构型的特征速度是不固定的，为什么？

Vmcg/Vmca和Vmcl各有什么含义？

如何拒选导航台？何时需要拒选？

系统自动调谐导航台的优先顺序是什么？导航台在ND上如何显示？

为何有时ND上的导航台代码指示错误？何时需要音频检查？

如何确认正常检查单上的大气数据惯性基准系统在导航模式？

在跨数据库周期时飞行需注意什么？能否使用过期的数据库飞行？

准备二计划时有几种常用考虑？

为何根据航路代码调取的计划会在执行某些修正后不再显示航路代码？具体是哪些修正？

有多个公司航路代码时，如何调取不同计划？

FIX INFO功能，ABEAM功能，OFFSET功能，VIA功能有哪些用途？

如何起动备降场？系统如何预测备降计划的数据？

DIRECT TO RADIAL IN/OUT是什么功能？

什么是进展（PROG）？progress

什么是定序航路点（sequence）？人工航段（manual legs）？

垂直飞行计划的各个阶段转换的条件是什么？

如何定义最佳飞行高度层和最大飞行高度层？

什么是CI？0和999分别代表什么？

ND上有哪些预测符号？运行中如何参考使用？

什么是性能系数和慢车系数？

什么是起飞监视功能？监视哪些内容？

如何人工做机场？跑道？导航台？航路点？

请学习MCDU的信息清单，数据格式清单。

请学习FMGC的临时不正常状态。如A321NEO在进近期间的FMGC自动复位。

什么是协调转弯？偏航阻尼？

为何巡航时方向舵配平有允许的固定偏移量？

方向舵行程限制故障后偏转量是否会被限制？如何恢复？

顶板FAC按钮控制什么？如何理解只要FAC生效时包线功能等不受顶板按钮位置影响？

何时会失去迎角平台功能？

请学习系统涉及的所有语音或指示上的保护/情景提示。

祝学习愉快！