飞行管理计算机系统 FMCS机务经验交流.docx
《飞行管理计算机系统 FMCS机务经验交流.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞行管理计算机系统 FMCS机务经验交流.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
飞行管理计算机系统FMCS机务经验交流
飞行管理计算机系统FMCS
分类:
学习笔记
2006.2.2002:
32作者：
metar|评论：
3|阅读：
6905
飞行管理计算机系统FMCS
飞行管理计算机系统
18.1飞行管理系统（FMS）
18.2飞行管理计算机系统
18.3飞行管理计算机数据库
18.4控制显示组件（CDU）
18.1飞行管理系统（FMS）
18.1.1FMS概述
飞行管理系统综合了以前一些飞机电子设备的功能并加以发展扩大,使设备的自动化程度更高.飞行员通过FMCS操纵飞机显得非常简单,方便.
这样,可以让飞行员腾出更多的时间更安全地管理飞机的飞行.
飞行员只要向飞行管理计算机输入飞机的起飞机场,目的地机场并规定飞行航路,亦即要在起飞和目的地机场之间起码规定一个航路点,FMCS就能根据IRS和无线电导航设备的信号准确地计算出飞机在飞行中的图时位置,根据计算发出指令到AFCS的自动驾驶仪或飞行指引系统,引导飞机从起飞机场到目的地机场.
同样,飞行员只要通过FMCS的控制显示组件（CDU）输入飞机的起飞全重以及性能要求,FMCS就能计算从起飞机场到目的地机场飞行的最经济速度和巡航高度,也能连续计算推力限期值.送出指令到自动驾驶和自动油门系统.
FMCS是用当时飞机所在的位置,飞机性能参数,目的地机场的经纬度和可用跑道,各航路点,无线电导航台以及等待航线,进近程序等信号或数据进行综合分析运算,以确定飞机的航向,速度以及爬高,下降角度和升降速度,阶梯爬高和下降等指令,来计划飞机飞行的水平相垂直剖面.
区域导航使用大圆弧航路使之在远距离航行中获得比惯常航路更短的直接航路.
由于飞行员起飞前在FMCS的CDU上选择了最适应飞行要求的性能数据,FMC根据要求的性能数据和其他参数进行运算,就可获得最佳经济效果和航路计划.当然,在一些情况下.如在预定航路上有恶劣气象条件,飞行员也可通过CDU来修改原定航路.
使用未安装FMCS的飞机飞行时,飞行员必须参考地图,飞机性能手册,航图,各种图表和计算器,以此获得导航和性能的信息数据.
现在这些数据都存储在FMC内.FMC内存储的与杰普逊航图一样的数据,称为导航数据库.飞行员使用CDU与FMC通信,可以很容易地调用计算机内所储存的各种信息数据,用于飞行的各种性能数据在CDU上显示出来,还能在水平状态指示器（HSI）上显示.
飞机上装了FMCS后,实现了全自动导航,不但大大减轻了飞行员的工作负担,提高了飞机操作的自动化程度,更主要的是FMC能提供从起飞到进近着陆的最优侧向飞行轨迹和垂直飞行剖面.
FMS的作用
飞机性能数据计算/管理,
飞机导航数据计算/管理,
对飞机进行最佳纵向/横向剖面的导航和制导,
起到节油/节时,降低运营成本的功能.
飞机可以在FMS的控制下,以最佳的飞行路径从起飞机场飞到目的地机场,以最佳的飞行剖面,最省燃油的方式飞行.这种优化功能体现于FMS的导航,制导和显示功能之中.
FMCS在各飞行阶段中优化性能的功能可用图18—1来说明.
图18—1FMCS在个飞行阶段的性能功能
FMCS在各飞行阶段中优化性能的功能
1,起飞
飞行员通过FMCS的CDU转入飞机全重（或无燃油重量）和外界温度,FMC进行计算,为飞机提供最佳起飞目标推力.这个起飞目标推力使飞机在规定时间内达到起飞速度,不会损伤飞机发动机,保证起飞安全.
2,爬高
根据飞行员的选择和FMC确定的目标推力和目标速度,FMCS提供最佳爬高剖面,也就是在规定的爬高速度和规定的发动机推力下,以最佳爬高角度到达规定的高度.FMC还根据情况向飞行员提供分段（阶梯）爬高和爬高顶点高度的建议,供飞行员选用.这些建议—一旦实施可使飞行进一步节省燃油.
3,巡航
FMCS根据航线长短,航路情况等选定最佳巡航高度和巡航速度.在飞行的两机场之间采用大圆弧路径,结合无线电甚高频导航获得最优巡航飞行.采用大圆弧路径使两点之间的飞行距离最短.
4,下降
FMCS根据飞行员输入或储存的导航数据确定飞机开始下降的顶点.
飞机在下降阶段时,由FMCS确定下降速度,最大限度地利用飞机的位能,节省燃油消耗.
5,进近
FMCS在下降结束点,在既定高度,确定航距上,以优化速度引导飞机到跑道上的着陆点.
FMCS以最佳飞行路径操纵飞机,不但安全,可靠,而且使飞机节省了燃油,缩短了飞行时间,大大降低了飞行成本.
FMCS起飞/爬升/巡航/下降/进近时,各提供什么信息
起飞——CDU引入飞机全重,设定温度,FMC计算出最佳目标能力,目标速度
爬高——FMC提供最佳爬高剖面,即最佳爬升角和速度,阶梯爬升到爬升顶点
巡航——根据航路距离,航路情况,FMC确定最佳巡航高度和速度
下降——FMC确定下降顶点,计算出最佳下降高度,控制油门在慢车位,利用飞机性能,以最佳剖面和速度下降
进近——FMC确定下降末端（下降结束点）,即在规定的高度和距离开始进近到跑道上的着陆点
18.1.2各分系统的功用及组成
现代飞机上FMS是一个由许多计算机,传感器,无线电导航系统,控制板,电子显示仪表,电子警告组件以及执行机构联系起来的大设备系统,见图18—2所示.
图18—2FMC部件
图18—3FMS的基本组成
典型的FMS主要是由四个分系统组成的.
FMCS,
IRS,
AFCS,
A/T.
FMCS在其中扮演着重要角色,是系统的中枢.
FMCS
FMCS由FMC和CDU组成.
FMC一般安装在飞机的电气电子设备舱的设备架上.根据需要,有的飞机上安装一台,而在有的飞机上却装有两台,一台主用,一台备用.
CDU为便于操作使用,都安装在驾驶舱靠近正,副驾驶员的中央操纵台的前方.CDU在飞机上一殷安装两台.分别供正,副驾驶员操纵使用;也可根据用户的要求只安装一台或三台.
IRS
IRS好像是FMS的一个大传感器,它向系统提供飞机的位置,姿态等数据信息.
IRS是一个独立的惯性导航系统,这个系统由两台或三台惯性基准组件（IRU）,方式选择板（MSU）和惯性系统显示组件（ISDU）等组成.
IRU内装有激光陀螺和加速度计,安装在电气电子设备舱里.
MSU和ISDU连在一起装在驾驶舱头顶设备板上.
飞行员可以通过MSU选择IRS的工作方式.选择的几种方式是:
导航,姿态,校准和关闭.其上也有校准和故障信息的信号显示.
ISDU上装有显示选择电门.左,右显示窗和字母数字键盘等.飞行员可在上面选择显示飞机的位置经纬度,航向,风向,风速等数据,也可通过键盘对惯性基隧系统进行起始校准.
AFCS
AFCS是FMS的执行系统,它对自动驾驶,飞行指引系统,安定面配平,自动油门等提供综合控制.
AFCS的核心由两台或三台飞行控制计算机（FCC）,一个方式控制板（MCP）以及一些其他部件组成.
FCC接收来自飞机各传感器的信号,根据要求的飞行方式对这些信号进行处理,并产生输出指令去操纵副翼,水平安定面,升降舵等控制舵面.它们装在飞机电气电子设备舱的设备架上.
MCP安装在正,副驾驶员正前方的驾驶舱遮光板上,它提供飞行员与AFCS之间的联系.飞行员通过MCP进行自动驾驶衔接控制,工作方式迭择控制以及与自动驾驶,飞行指引和FMCS有关的控制数据的选择等.要说明的是,自动油门的控制也在其上进行.
A/T
自动油门系统（A/T）也是FMS的执行部件.
有一台装在电气电子设备舱的自动油门计算机,它接收来自各传感器和MCP上来的工作方式相性能选择数据,把它们进行运算处理,输出操纵指令到油门机构去.
油门机构主要由伺服电动机和油门杆组成,它执行操纵指令,把油门杆置于恰当的位置.
上述四个主要组成分系统又都是可以独立工作的,分别执行各自独立的功能.这样就保证在系统中任一分系统的故障不会引起FMS的全部失效.
18.1.3各分系统之间的信号交连关系
一,总述
二,数字输入
三,离散信号输入
四,离散信号输出
一,总述
FMC接收来自多个传感器和飞行管理系统里的其它系统的数字和离散信号.
FMC完成飞机飞行和性能系统所要求的算术逻辑和输入/输出处理.
FMC的输出是ARINC429数字格式.
FMC的最基本六个传感器
-IRS,ADC,VOR/DME,ILS,FAU,CLK
二,数字输入
CDU提供机组与FMC的接口连接.CDU还用于选用的侧向制导惯性基维系统（IRS）,它是飞机上进行姿态测量和位置测定的主要部件.每个惯性基准组件（IRU）都通过ARINC29总线结FMC提供现在位置,航向,姿态,速度,地速和升降速度信息.
两个数字式大气数据计算机（DADC）都与FMC接口.每个DADC都通过ARINC429总线给FMC提供:
高度,空速,马赫数（M）和温度信息.
时钟给FMC提供GMT（格林威治平均时）.
数字飞行控制系统（DFCS）的MCP（方式控制板）给FMC提供:
LNAV（侧向导航）和VNAV（纵向导航）衔接方式逻辑,所选高度数据等信息.
二,数字输入
燃油加法组件通过DAA提供燃油量信息.
测距机（DME）询问机通过DAA给FMC提供距离信息.
VHF导航接收机通过DAA给FMC提供距离和方位信息.
数据装载机插头提供外部手提数据装载机与FMC的接口.数据装载机用来更新FMC的导航数据库,它通过接口与输入/输出数据总线相接.
三,离散信号输入
FMC接收来自机翼防冰,发动机防冰和发动机引气系统来的离散输入信号.
这些系统工作时,会引起发动机推力下降.
FMC利用这些离散信号对计算的性能值作出相应的调整.
四,离散信号输出
当FMC警告信息出现在FMC,CDU上时或当FMC失效时,FMC在自动飞行状态指示器上的一个琥珀色警告灯亮.
五,数字输出
FMC数据发送器把数据输回到CDU（或ANCDU）.
FMC通过DAA将N1限制信息输给主发动机显示器上的N1指示器.
FMC还对VHFNAV系统调谐.调谐信息通过相应的DAA送给两个VHFNAV系统.
FMC给IRS提供飞机现在位置的经/纬度输出.现在位置用于起始IRS,经纬度在FMC的CDU（或ANCDU）上输入.FMC还为IRS姿态方式提供设置航向.
五,数字输出
数字式失速警告计算机接收来自FMC的总重量信号.
FMC给主发动机显示器上的TMA（推力方式通告）提供实际的N1限制信息.
FMC的输出与DFCS的飞行控制计算机（FCC）接口,FMC的这些输出给FCC提供目标空速和马赫数,目标高度,目标升降速度和倾斜指令.如DFCS在VHAV方式,则目标空速指标指示FMC的目标空速.
FMC给用于EHSI和EADI（电子水平状态指示器和电子姿态指引仪）显示的字符发生器提供导航,制导和导航背景致据.
18.2飞行管理计算机系统
18.2.1FMCS的功用及系统组成
18.2.2FMC的输入信号及其特性,信号接口关系
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
18.2.1FMCS的功用及系统组成
飞行管理计算机硬件是多微机系统,
FMC的基本组成部分:
导航处理机,性能处理机,I/O处理机,电源.
如波音747—400型飞机FMC,其CPU采用的是LS-54IIIB和T19989型,这三个处理机共有l9块电路板,其中A1-A8为输入/输出处理机,A9-A15为导航处理机,A16-A19为性能处理机,所有的电路板都采用插入式连接.
18.2.1FMCS的功用及系统组成
计算机数据运算可用定点制和浮点制.若用定点制,用整数补码运算,若用浮点制,有25位尾数,7位阶来表示.
数据流为16位并行.结构字长为16位和32位.
程序存储器是半导体型可用紫外线擦除的可编程序只读存储器EPROM.导航处理机的程序存储器容量为192K字,字长16位;性能处理机的为48K字;输入/出处理机为32K字.最大存取时间为700纳秒.
便笺存储器和数据库存储器都是CMOS器件.
早期生产的FMC使用硬盘存储器,而新型FMC使用磁泡（MAGNET1CBUBBLE）存储器.
磁泡存储器体积小,存储容量大,因此,装有磁泡存储器的FMC有时被称为AFMC（ADVANCEDFMC）.
18.2.1FMCS的功用及系统组成
计算机内电源系统有过流和短路保护,当内部温度超过规定值时,由热敏电路进行热敏关断保护.
数字数据传始采用ARINC一429格式,输入有28个通道,输出为12个通道.开路/接地离散信号有52个输入通道,3个输出通道.另外还有27个晶体管-晶体管集成电路离散信号转入通道.
计算机内部的导航处理机,性能处理机和输入/输出处理机在工作中是互相独立的,它们各自执行自己的功能,每一个运算装置使用相同的并行地址数据总线.由于三个处理机之间在结构上互相没有联系,所以一个部件丧失功能并不会影内到其他部件的工作.各计算部件之间的通信是通过公共存储器和内部处理器中断进行的.
下面我们分别把计算机内这三台微处理机的工作做一简要说明.
一,导航处理机部分
导航处理机部分由导航微处理器和它的存储器组成.
导航处理器执行与导航计算,侧向和纵向操作指令计算和CDU管理等有关功能;控制和协调所有导航部分元件的工作;传输导航信息.
导航处理器执行一套微程序指令.整个微程序指令共有1K字,每个字为56位,固化在半导体只读存储器（PROM）中.导航处理器由A14,A15两块电路板组成.其中含有一个16位的运算器和逻辑部件,一个24位的复合组件,包括输出接口,数据损入输出接口,一个串行始入输出接口,16级优先中断以及有关的定时和控制电路.
一,导航处理机部分
导航处理机部分共有4种存储器.
电路板A13是导航程序存储器,这个程序既有指令也有操纵计算机所必需的固定数据.存储器包含有l92K字的16位电可编程序只读存储器（EPROM）,地址输入缓冲器,数据输出缓冲器以及控制电路.该EPROM可由紫外线擦除,再由电信号重新编程.
一,导航处理机部分
电路板A12是易失性读写存储器,用来作为导航处理机的"便笺".该组件板内有字长16位的容量为16K字的高速随机存取存储器（HSRAM）,地址输入缓冲器,数据输入输出缓冲器和控制电路.
电路板A10和A11内含有导航数据库.每一块组件由字长16位,容量为48K字的写入保护非易失性随机存储器（NVRAM）,地址输入缓冲器,数据输出缓冲器和控制电路等组成.
电路板A9含有保护便笺存储器,该存储器为字长16位,容量为48K字的非易失性随机存储器（NVRAM）.此外,电路板上还有地址输入缓冲器,数据输入输出缓冲器和控制电路等.
二,性能处理机部分
性能处理机部分也由性能处理器和存储器构成.
它的基本构造与导航处理机部分相同,只是它的存储器的容量较小.
电路板A17上除有程序存储器外,还有便笺存储器,高速RAM.
性能处理器:
根据传感器输入,CDU输入及性能数据库的数据进行计算,实现最佳纵向飞剖面的管理,包括飞行高度,速度,爬升/下降速率等,并提供显示.
三,输入输出处理机部分
输入输出处理机部分除有处理器,各种存储器外,还有混合输入输出装置,ARINC控制器,ARINC接口,离散信号接口等组件.
18.2.2FMC的输入信号及其特性,信号接口关系
FMC从不同的数据源接收数字格式的数据,并将它们从新格式化为ARINC429格式.
其接口关系如图18—4.
图18—4信号接口关系
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
导航就是有目的地,安全有效地引导飞机从一地到另一地的飞行横向控制过程.
导航要从起飞机场开始,根据要飞抵的目的地选择航线;确定离目的地或某个要飞越的航路点的距离,预定到达时间,确定速度等.
导航系统需要解决的三个主要问题是:
如何确定飞机当时的位置;
如何确定飞机从一个位置向另一个位置前进的方向;
如何确定离地面某一点的距离或速度,时问.
从根本上说,导航就是给飞行员提供飞机飞行中的位置,航向,距离和地速等导航参量.
在这一节中我们仅涉及到这些基本问题.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
但是在现代航空中,由于飞机飞行速度的提高,航空交通的日益拥挤,客观上要求飞机的导航系统除确定上述几个基本参量以及其他一些参量以外,还要有连续的,适时的操纵指令输出.
飞机上由于装载了许多由计算机所组成的控制装置,可以便操纵指令传输到自动飞行控制系统和自动油门系统.
速度指令输送到自动油门系统,产生飞机纵向加速度以达到事先确定的飞行速度.
输送到自动飞行控制系统的指令有的是产生侧向加速度以改变飞机的航迹,有的产生垂直加速度以使飞机爬高或下降.在整个飞行过程中,自动操纵飞机由起飞机场按预定航线,以经济的方式飞向目的地.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
飞行管理系统的导航功能已把早期的惯性导航,无线电导航和仪表着陆系统功能结合在一起,由它提供一个综合导航功能.
飞机在起飞以前只要把飞机当时所处的经纬度通过CDU或直接通过IRS控制显示装置输入到IRS的计算机去,整个系统就开始工作.
飞机起飞以后,无线电导航系统开始工作,并和IRS的信号相结合,一直到飞机降落到跑道上.
在整个飞行阶段,都由FMS进行计算,操纵,并在有关的显示设备上给飞行员指明飞机当时所处准确位置,飞行速度和飞机飞行高度等飞行动态数据.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
飞机从北京飞济南为例.
假设北京的位置为P,济南的位置为Z.
北京到济南段的理论航线是PZ.飞机的应飞航向ψP.
假定飞机在飞行过程中偏离PZ线而飞到了A点.
怎样引导飞机准确地飞达济南
一种方法是操纵飞机回到PZ线,
另一种方法是连接AZ线,重新确定飞机的应飞航向ψA,使飞机沿着AZ线飞达济南.
如果我们采用后一种导航方法,就要求飞机在整个飞行过程中不断地计算出飞机的当时坐标位置（经纬度）以及飞机的应飞航向ψA,并要不断测定飞机的实际航向ψr.
图18—5导航原理说明
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
对于这样的导航方法,FMC需要完成下列计算;
1,根据IRS和无线电导航设备的信号,计算飞机在任何瞬时的准确坐标位置度λA和纬度φ.
2,飞机在任何瞬时的应飞航向ψA以及航向误差Δψ.
3,飞机在任何瞬时经下面一系列航路点以及到终点的待飞距离D.
4,按现有速度计算预计到达时间（ETA）.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
在有风飞行时,IRS算出地速Vg,偏流角β以及飞机的实际航向ψr,从大气数据计算机得到真空速V.
地速Vg,空速V和风速W组成一个速度三角形,见图18—6.
由图示几何关系,可以求得风速W和风向δ:
图18—6速度向量图
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
飞机在飞行中任何瞬时的坐标经纬度由IRS计算,也由FMC（根据无线电信号和IRS信号进行）计算,
飞机应飞航向ψr和待飞距离D也有许多种计算方法,这里列出一种简单的计算法（适用于Δλ<2°=.见图l8-8所示.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
FMC计算得到的许多参数除在CDU和电子飞行仪表上显示供飞行员检查观察外,更主要的是与自动飞行控制系统耦合,根据飞机的航向误差Δψ,再通过FCC处理计算,把它变为舵面（副翼,方向舵）偏转指令,通过舵面的操纵改变飞机的横向飞行姿态.
当飞机姿态改变以后,FMCS的各传感器的输入量Vg,V,ψr,φA,λA等也随之变化,计算机对新的输入量重复上述计算,取得新的计算结果,引导飞机飞向下一航路点.
它是一个闭环自动控制系统.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
导航功能的数据管理和计算是由计算机内的软件来操作的,它主要包含下列几方面的功能.
1,导航数据库管理
导航数据库由用户通过数据库装载机装入计算机的存储器内.
数据库管理程序包含接受计算机内各电路运行要求,调用寻址,调用数据等.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
2,位置计算
把飞机无线电导航接收机所接收到的地面无线电信号和IRS产生的信号进行综合计算,以获得最高的准确性.
无线电位置数据选择的优先顺序为:
（1）DME/DME:
两个不同位置的DME台;
（2）DME/VOR:
当只能收到一个有效DME台的信号时,使用共址的VOR台;
（3）ILS:
正在进行仪表进近着陆时,使用ILS的偏离信号;
（4）仅用IRS导航:
在空中,不能接收到有效的无线电导航信号时或飞机在地面不能使用无线电导航信号时使用.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
3,速度计算
FMC速度计算主要使用由IRS来的南北,东西速度分量进行地速和风速计算.这是由惯性基准系统内的三个轴向加速度计对三个轴向进行积分而获得的.FMC计算合成速度,再与由ADC来的空速结合起来进行风速计算.
4,高度计算
对IRS立轴加速度计的飞机垂直加速度进行两次积分就作为基本的飞机高度数据.这个数据再由从大气数据计算机输来的气压信号进行修正.未经气压修正的高度为原始高度,经修正后的高度称为气压修正高度.
高度计算时,若IRS无法提供高度数据,那么,计算机的自动补缺方式是选择相应的ADC数据.
18.2.3FMC的导航计算的基本原理
5,导航设备的选择和调谐
导航数据库内储存着各导航台数据.
在EFIS所提供的飞机当时位置附近的20个导航台清单中,选择2个最佳导航台,并对这2个选定的导航台进行自动调谐,以获得这2个导航台的无线电导航位置数据.
若无法获得2个合适的DME导航台,则选择离开飞机当时位置最近的DME/VOR导航台的距离和方位数据.
把飞机上的无线电导航接收机的接收频率调到选定的地面导航台的使用频率上.
18.3飞行管理计算机数据库
FMC的存储器内除存储有各种操作程序以外,还包含有许多数据.这些数据也是FMC正常发挥它的功能所不能缺少的.当操作者通过CDU选择飞行控制的各种工作方式,选择各种航路结构时,就需要使用这些数据;FMC在进行各种数据计算时,也需要这些数据.
按数据的种类分类,与飞机性能有关的各种参数集中存储起来,称为性能数据库.这些数据是固定不变的,不能进行更改,但不同机型其性能数据库不同.
飞机导航方面的数据称为导航数据库.导航数据库需要每隔28天更换一次.这些数据都储存在计算机的磁盘存储器或半导体存储器或磁泡存储器内.
18.3飞行管理计算机数据库
18.3.1导航数据库的内容
18.3.2导航数据库的更新
18.3.3性能数据库
18.3.1导航数据库的内容
数据库内的数据是飞机飞行区域的机场,航路点,导航台的地理位置,频率以及航路组成结构等.
这些数据可以分成两大类,一类是对各航空公司都适用的标推数据,它们由世界范围的机场,导航台等有关数据组成.
另一类导航数据是一种特定数据,仅是与航空公司飞行航线的航路结构有关的数据.
这两类数据由导航数据库制造中心汇集后,首先按ARINC一424格式进行编码,然后送入特别的计算机进行处理,再制成DC一300式盒式磁带或其它形式的媒质,包装后分发到航空公司,每隔28天用数据装载机把数据库装到飞机的FMC内,进行数据更新.
导航数据库产生和装载过程见图18—9所示.
图18—9导航数据库产生和装载过程
导航数据库
导航数据库所存具体内容由以下6个方面的资料组成:
一,导航设备
二,机场
三,航路
四,公司航路
五,终端区域程序
六,ILS进近
导航数据库
一,导航设备
（1）导航设备类别:
导航台可分为测距机（DME）台,全向信标（VOR）和测距机（DM
升级会员 