空客没有讲的事34-1导航基础及应用

mikate · 发表于 2024-5-28 20:43:00

人类在迈向星辰大海的伟大征程上，最首先需要解决的问题是知道“我在哪？”，最好是能随时都知道“我在哪？”，最最好是随时都能精准的知道“我在哪？”。相对的，最害怕的是“我不知道我在哪？”虽然达伽马发现好望角，哥伦布发现美洲……都是因为位置不精确，误打误撞才建立的不世之功，但对位置精确性的偏执追求却贯穿着人类的整个征服之旅，影响着人类对空间、对自身、对世间万物的认识。

位置的获取手段简直可以被看成是人类科技的发展史：从罗盘到惯导，到各种导航台，最后到卫星……从自发到他予，从磁位置感应的相对定位、自我计算的惯性定位到地面设施的辅助定位，再到卫星主导的GPS定位，各式手段相继出现，百花齐放，争奇斗艳，先进的手段提供更精确的数据，落后的手段也能提供更稳定、更独立的参考，各有各的优点，各擅胜场。

对于目前的飞机系统来说，基础的位置数据来源于惯导。惯导的核心是激光陀螺和加速度计。

激光陀螺的原理说起来复杂，但跟随着它的理论实现路径一路走下却能发现其中充满了乐趣，充满了人类探寻世界、解决问题的乐趣，甚至还带点反转的恶趣味……

光的基础特性是光在同一介质中的速度稳定。这么一句简单的话在不同人的心里引发的涟漪是不同的……有人就想到既然光速是稳定的，那么可以用它作为标准去进行精确测量。简单说，让光在一个封闭介质的圆环中转动，光速一定，那么当圆环转动后，光所走过的路径（光程）必然发生变换，那么通过测算时间差，就可以算出圆环的旋转角度。

但光速太大了，要精准测量时间差几乎是不可能的，就算可以测量，工程实现上数值单位太小，产生的误差必然不受控。这时就进入第二阶段，有个聪明的科学家说光还有一个基础特性：光是波。光既然是波，它就一定能分解或调制出属于自己的波长、频率。通过测量圆环转动前后两束波的相位差就可以测算出对应的时间差了。到了这里第一个有工程实现意义的结论出现了：光束相位差可以测算光程差，可以测算偏转角度。

上面这些推论、想法看上去都特别简单，但这些简单的道理在1913年萨格纳克的心里却掀起了滔天巨浪。他说测量相位差太复杂了，咱们可以把上面被观察的一束光分成两束，让它们在圆环内沿相反的方向运动，最后再让它们互相干涉结合起来。如果圆环发生位移，那么两束光因为各自的相位移动，干涉后会形成独一无二的特定频率的相干波（拍频）。

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萨格纳克之前为什么大家只会在一束光上做文章呢？为什么没有人想到用两束相干性光束互相干涉再测量呢？是因为没有人看过水中涟漪互相影响的画面？还是因为没有人能把身边的简单现象画成那道划时代的光？测量时间、测量相位差显然都不是好办法，几乎无法工程化、实体化、应用化。但干涉波原理的出现就把距离、时域问题移到了频域，测量频率差就可以知道光程差，也就知道想要的偏转角度了。

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上述两个有工程意义的结论出现后，激光陀螺的进化之路停止了吗？又有一个聪明的工程师站了出来，他说，要量产激光陀螺，要让光一直在圆环内始终保持同样的光程路径太难，可以简单的把它变成下面的三角形镜面结构；另外，基础光程要保证距离一定也太难，可以用光程封闭的面积来表示，制造和测算的难度会大幅降低。

综合上述那些演变过程后，偏转角度w,光程面积A，干涉波长λ，L为谐振腔长度，即一圈的光程，以及拍频频差∆f。它们之间的关系就可以简单的表示如下述公式，通过频差计算出偏转角，即角速度。

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加速度计则更加直观，即可提供轴向上的加速度数值。

上述两个核心部件被安排在空间三轴上，飞机作动的本质可以被看作是绕着空间三轴的绕轴运动，这样飞机在三维空间的加速度、速度和距离都可在积分器的计算下一一得到解算。

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上述原理模型归结到部件层面，即3部惯导IR（Inertial Reference）计算机，提供三组自有的惯性导航计算的位置（IRS position）。

随着科技的发展和通讯手段的进步，地面导航台的加入也可以为飞机提供相对的位置参考，这里就有两个经常使用的子系统：DME（测距机）和VOR（全向性定位信标）。顾名思义，DME提供的是相对距离，而VOR提供的是相对角度。正如在一个平面上画圆一样，DME-DME或者DME-VOR这两种组合都可以完成空间定位功能，得出无线电位置（Radio Position）,该数据会显示在下图绿框位置。

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当然，被人们所熟知的GPS更是提供精准位置参数的能手，虽然是民用级别的定位，但其10米的平均误差，再加上地面GPS导航台和其他微波导航的校准，会使其精度进一步提高。但GPS测算的数据会首先进入IRS，GPS1给ADIRS1和ADIRS3，GPS2给ADIRS2，在IRS中，根据卡尔曼滤波原理，即权重理论，把不同精确率的导航方式根据其精确概率，综合计算出GPIRS，当GPS PRIMARY情况下，在下图绿框位置仅显示GPIRS，左侧MCDU显示GPIRS1，右侧MCDU显示GPIRS2。（该位置还会因所使用的位置计算方法不同，有RADIO或GPS或GPIRS 或RADIO DESELECTED等不同的显示）

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从定位精度来看，毫无疑问，GPS的定位精度最高，其次是导航台定位，惯导的精度最差，且其误差随着时间的推移，积分器会把初始的微小误差逐步过大，但惯导属于飞机自身设备，不依赖于外部连接的特性又使其不可或缺。

最后，就该22章的FMGC出手了，FMGC面对3部惯导、2部MMR计算机（GPS）、2部DME和2部VOR的实时海量计算数据，就像一个独立的指挥官那样，开始计算、选择自己所需的数据，确定导航模式，精准定位飞机位置。

首先，FMGC根据3组惯性位置（如可用）计算出混合惯性位置（mixed IR position）,如果其中之一部件故障或者漂移量过大（大于30NM），则采用有优先级考虑的一部设备（IRS OWN -IRS 3-IRS OPP）作为混合惯性位置。有了混合惯性位置作为基础数据，就可以确保在接收不到外部信号的极端情况下的导航基础。该数据显示在上图黄色框内。

其次，FMGC又要再次把上述混合惯性位置和各GPIRS（GPIRS1/GPIRS2/GPIRS3）或无线电位置进行基于投票机制的综合选择，选择出最优GPIRS，正常情况下FMGC1对应GPIRS1，FMGC2对应GPIRS2，再和之前计算出的混合惯性位置（mixed IR position）混合计算出FMGC位置（数值基本就等于选择的最优GPIRS或是无线电位置）。该数据显示在上图红色框内，同时还将选择源，即导航模式显示在下方，通常该处导航模式为3IRS/GPS。（由于位置计算的参考源不同，该导航模式有多重指示，根据优先级，可以有：3IRS/GPS，1IRS/GPS，3IRS/DME/DME，1IRS/DME/DME，3IRS/VOR/DME，1IRS/VOR/DME，3IRS，1IRS，虚线）

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同时，FMGC还在不断计算FMGC位置和混合惯性位置之间的偏差，以保证在接受不到外部信号时，该偏差可以持续为混合惯性位置完成校正，保证位置的稳定精确。FMGC位置与各惯导数据之间的具体偏差也被显示在上图黑色框内，用于指示机组及时修正惯导的累计偏差。

最后，FMGC位置还有其他方式对其进行更新和校正，除了人工输入校正外，在起飞和着陆（进近）阶段，FMGC会根据跑道信息或者LOC位置对FMGC进行更新，保持FMGC位置的精确。

FM位置的计算复杂程度在ATA22章内几乎是“弟弟”级别的存在，速度、偏转角度的多重精确计算更是难上加难。特别是空速、地速、特征速度等速度参数的计算更是需要综合多种因素，整合多套系统，运用多种数学办法。

但从上述位置计算的过程中，也可以基本确定一个基础架构：FMGC扮演的更像是指挥官的选择者，它负责从众多数据输入源内选择那个最优解，不断的筛选误差，更正误差，决断最优。



FMGC这样的多种数据源决断选择能力也对其它系统提出了同样的要求，要用到位置数据的其它系统很多，但EGPWS近地警告系统是众多用户中的那个“显眼包”。随着系统的进步和系统要求的变化，EGPWS系统在位置选择上做出了明显的改变。

在没有GPS导航前，EGPWS仅可使用FM位置，如果FM位置失效，则只能使用单IR位置。但随着GPS导航的成熟介入，EGPWS系统更趋向于使用GPS参数，在保证精度的情况下减少对AFS系统的影响和依赖。

EGPWS开始使用GPS参数后改变了位置选择的优先权，它优先选择GPS位置数据，之后才使用结合最近有效的GPIRS位置数据的IR位置（来自于ADIRU1），，再故障就只能依赖FM位置（来自于FMGC1，精度降低会产生警告信息）。

位置数据的优先权也带来了硬件数据结构的变化，从Hybrid（混合）结构到Autonomous（自主）结构，可以明显看到GPS数据（MMR）更靠近用户EGPWS，从需要经过IR数据中转变成MMR和EGPWS直接连接。





一个简单的数据——位置的得出是如此的复杂，数据源是如此的众多繁复，选择数据的用户又各有各的策略，甚至还在不断的进行改装演变……对于飞机维修来说，通过学习每种参数的获得过程，通过了解不同数据源计算机的数据输出，通过明白用户计算机获得的不同数据输入，不仅可以重温飞机各系统的基础作用，更可以从理论上了解各部件是如何工作的，以及最终数据产生的决断和产生机制。



其实位置的计算和我们在路上开车、和我们的人生何其相似，每一步都面临着多样的选择，每一种选择又都各具特点，每一种选择又都有不同的结果……而作为道路选择的人或者组织都有其“灵魂”、都有其“背景”、都有其“个性”，选择和努力，孰轻孰重？看看FMGC和EGPWS吧，他俩不仅做出了截然相反的选择，EGPWS更是在不断的更新自己的结构，更新自己的侧重，但无论怎么选择，他俩都在自己的岗位上兢兢业业的奋斗、默默无闻的奉献，充分发挥着自己的天赋，全力施展着自己的才能……这不正是一个又一个平凡而又独特的我们吗？这不正是在庞大社会“飞机”上的那一部部“计算机”、一颗颗“螺丝钉”吗？这不正是我们所需要秉持的“无为而为”吗？