FMC系统介绍

hw1128 · 发表于 2011-3-12 22:11:41

这个介绍了波音飞机的飞行管理计算机系统

飞行管理计算机系统

第一章 概述

         随着近代科学技术的发展，计算机已进入各航空技术领域，飞机上不少机载电子设备由于装设了计算机控制部件而实现了电脑化，飞行管理计算机系统（FMCS）就是80年代最新技术的产物。

        飞行管理计算机系统的雏形可以追溯到60年代后期和70年代前期。早期的高级区域导航系统可以提供横向和垂直导航。70年代中期为了对付石油的短缺和价格的飞涨，性能数据计算机开始在飞机上使用。而此时该系统尚未与自动驾驶仪耦合，也不提供导航功能。进一步发展的产物是飞机性能管理系统，并与自动驾驶和自动油门连接起来。

         现代飞机的飞行管理计算机系统（FMCS）是高级的区域导航系统和性能管理系统的组合。它具有大容量的导航数据库，计算机能够提供从起飞到降落的闭环横向制导功能；并且它具有大容量的性能数据库，能够提供节约燃油，降低直接运行成本的垂直制导能力。此系统首次装在1981年12月试飞的波音767飞机上，1982年2月试飞的波音757飞机上也安装了FMCS，这个新系统把自动飞行控制、发动机推力限制，先进电子仪表和显示系统结合起来，既大大减轻了驾驶员的工作负担，又能以最优性能来管理飞机的飞行，也给机务维修提供了便利的条件。

        飞行管理计算机（FMC）发送操纵指令到飞行控制计算机和推力管理计算机以完成导航和制导功能。飞机当时的准确位置是飞行管理计算机（FMC）用测距机（DME），全向信标（VOR）和惯性基准系统（IRS）的输入数据综合决定的，飞行管理计算机在两个航路点之间计算大圆弧路径，实现三维制导。

        FMC内部装有自检设备，可快速诊断故障并向维护人员显示故障信息，这样的设计使飞行管理计算机具有很高的可靠性。

        飞行管理计算机系统（FMCS）是由飞行管理计算机（FMC）和控制显示组件（CDU）组成。FMC一般安装在飞机电子舱内的设备架上，CDU在飞机上一般安装两台，而FMC是根据客户的需要而选装一台或两台。波音757飞机上选用两台FMC，一台主用，一台备用。

        FMC内储存有与杰普逊航图一样的数据，称为导航数据库；存储有与飞机性能手册一样的数据，称为性能数据库。飞行员通过CDU与FMC通信，就不需要再参考地图，飞行性能手册、航图、各种图表和计算器来获得导航和性能的信息数据，很容易检索到计算机内所存的各种信息数据。这样，飞行员只要告诉FMC飞机的起飞机场，目的地机场并规定飞行航路，FMCS就能根据惯性基准系统（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瞬时位置，而引导飞机自动到达目的地机场；同样，飞行员只要在CDU上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。而达到经济飞行，使飞行员腾处更多的时间去安全的管理飞机的飞行。

        FMCS要完成上述功能，需要各种参数。因此它需要很多的传感器向它输送各种信息：

1、惯性基准系统（IRS）

       惯性基准系统向FMCS输送飞机经纬度、真航线、磁航向、南北和东西向速度、俯仰和倾斜角、高度、升降速度、地速等数据；

2、大气数据计算机（ADC）

      大气数据计算机向FMCS提供飞机高度、空速、马赫数和温度信息；

3、全向信标/测距机（VOR/DME）

全向信标接收机向FMCS提供方位和航道偏离信号

测距机向FMCS提供飞机到某一选定地面台的距离数据

4、仪表着陆系统（ILS）

仪表着陆系统向FMCS提供航向道和下滑道的偏离信号

5、燃油流量累加器

燃油流量累加器向FMCS提供飞机的总燃油量

6、时钟

正驾驶的时钟向FMCS提供信息数据

第二章 飞行管理计算机工作原理

第一节FMC基本结构及简述

        FMC硬件多是多微机系统，主要由三台微处理器、电源组件和电池组件组成。三台微处理器分别是导航处理器、性能处理器、输入/输出处理器、这三个微处理器共有19块电路板，其中A[sub]1[/sub]~A[sub]8[/sub]为输入/输出处理器，A[sub]9[/sub]~A[sub]15[/sub]为导航处理器，A[sub]16[/sub]~A[sub]19[/sub]为性能处理器，所有的电路板都采用插入式连接。导航处理器的程序存储容量为192K字，字长为16位；性能处理器的程序存储容量为48K字；输入/输出处理器的程序存储容量为32K字，最大存取时间为700纳秒。计算机内部的三个处理器在工作中是相互独立的，各自执行自己的功能，所以一个部件丧失功能并不会影响到其它部件的工作。

一、导航处理器部分

        导航处理器部分由导航微处理器和它的存储器组成。它执行与导航计算，横向和纵向操纵指引和CDU管理等有关功能。

二、性能处理器部分

        性能处理器部分由性能处理器和存储器构成。它的基本构造与导航处理器部分相同，只是存储容量较小。

三、输入/输出处理器部分

      输入/输出处理器部分除有处理器，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。

       FMC主要输入是数字数据，它也接收离散输入信号，这些输入数据用于性能、导航计算机和飞行计划管理，并且计算结果主要以数字形式及离散信号输入到各飞机设备系统。

        757飞机的FMC选装的是霍尼韦尔·斯贝莱公司出产的机器，它重约15公斤，前面板上有一个红色的故障灯，一个琥珀色的测试正在进行灯，一个按压式测试电门。FMC使用115V、400HZ单向交流电，计算机内部电子器件在工作时要消耗多达300瓦的电能，因此会产生热能，使机器内部温度升高而引起电路工作不正常，这样，就需要采取冷却散热措施。计算机的冷却是由设备冷却系统对它进行强迫空气通风，而达到冷却效果，保证机器的使用寿命及工作正常。

第二节飞行管理计算机的数据库

        FMC的存储器内存储有许多数据，这些数据也是FMC发挥它的功能所不能缺少的，当飞行员通过CDU选择飞行控制的各种方式，选择各种航路结构时，就需要这些数据；FMC在进行各种数据计算时，也需要这些数据。按数据种类分，与飞行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。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，

        导航数据库用于确定飞机当时位置，进行导航计算以及导航台自动调谐管理等。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，结构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准数据，它们是世界范围的机场、导航台等有关数据。航空公司可以根据本公司飞机飞行区域适当选用有关数据。由于航空公司本身无法采集全球导航数据数据的原始资料，一般都与美国杰普逊航图发行公司签定合同，由杰普逊公司定期提供。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。

        导航数据库所存内容有以下六个方面的资料组成。

1、   导航设备

（1）     导航设备类别；（2）位置；（3）频率；（4）标高；（5）识标；（6）级别；

2、   机场

（1）     归航位置；（2）登机门参考位置；（3）跑道长度和方位；（4）标高；（5）仪表着陆系统设备；

3、   航路

        航路分高、低空航路和机场附近的终端航路等，航路数据包括航路类型、高度、航向、航段距离、航路点说明等。

4、   公司航路

        由飞机用户规定，它们是航空公司负责飞行的固定航线数据。

5、   终端区域程序

        包含有标准仪表进港、过渡和进近程序，各程序的飞机航向、距离、高度等。

6、   仪表着陆系统进近

        包含有仪表设备频率和识标、穿越高度、错过进近的飞行程序及距离等数据。

        导航数据库内的数据除导航台和机场所在地的标高不大可能改变以外，其它数据都有可能在经历一段时间以后有所变化，如导航台频率更改、更新或增添新的导航台，机场跑道延伸，候机楼改建，扩大等，尤其公司航路有可能较频繁的变动，因而国际民航组织规定导航数据库要定时进行更改。

      性能数据库包含对飞机纵向导航进行性能计算所需的有关数据。它们是与飞机和发动机型号有关的参数。性能数据库可分为两方面的数据，一类是详细的飞机空气动力模型；另一类是装在飞机上的发动机数据模型。

        飞机空气动力模型有飞机基本阻力极面（既襟翼完全收上和放下到一定位置时的阻力极面）偏航阻力等；有批准的飞机操作限制值，它们是最大角度爬高，最大速率爬高，最大速度，最大马赫速，一个冲击限制包络线以及一些根据飞机和发动机型号而来的固定参数，如远航程马赫数，单发停车飞行巡航马赫数，进近速度，机翼面积，翼展，经济爬高速度，经济巡航马赫数，襟翼放下时的规定速度等。

        发动机数据模型包含有在飞机爬高和巡航单发停车连续飞行时的额定推力值，在各不同高度和不同速度下的额定推力值的修正值，EPR或N[sub]1[/sub]转速限制值，推力和燃油流量关系参数，发动机在客舱、驾驶舱空调系统工作以及防冰系统工作时的引气量等。

         上述两方面的性能数据基本上是固有的值，这些数据在飞机机身和发动机设计好后就已确定了，而不会更改，但是飞机阻力系数和发动机燃油流量系数可由工程维护人员在CDU上进行修改。

第三节 飞行管理计算机的导航功能

        现代飞机导航所要解决的问题很多，但主要的三个基本问题是：如何确定飞机当时位置；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、时间。下面对如何确定飞机当时位置的问题作一说明。

         飞行管理计算机如何确定飞机当时的准确位置是它的非常重要功能，它把飞机无线电导航接收机所接收到的地面无线电信号和惯性基准系统（IRS）产生的信号进行综合计算，而获得最高的准确性。无线电导航接收机包含有两台测距机（DME）和两台甚高频全向信标（VOR）接收机以及在飞机进近着陆时使用的三部仪表着陆系统（ILS），它们同时分别向计算机输送各自接收到的信号。FMC则根据飞机的当时情况由软件决定选择其中的部分信号用于位置计算，选择的优先顺序是：

（一）      DME/DME：两个不同位置的DME台；

（二）      DME/VOR；当只能收到一个有效的无线电导航信号时，使用同一个位置导航站的DME和VOR台；

（三）      ILS：正在仪表着陆进近时，使用ILS的偏离信号；

（四）      仅用IRS：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。

一、DME/DME位置计算（ρ-ρ定位）

         飞机起飞以后，无线电导航系统开始工作，DME和VOR接收机是靠接收和处理地面发射台的无线电波而工作的，无线电导航的定位时间短，精度高，设备简单可靠。飞机的实时位置，根据一个无线电导航参量（距离、方向）是不能确定的，必须要有两个DME导航台的软件设计原则是，要求两个导航台与飞机之间的夹角α满足30[sup]°[/sup]<α<150[sup]°[/sup]若飞机飞行高度高于12000英尺，应尽量选择地理位置好的两个导航台，若飞机高度低于12000英尺，应尽量选择离飞机最近的一对导航台，当然必须要满足α角的要求。

FMC自动选定某一个地面DME的工作频率进行自动调谐，或由飞行员人工选定VOR台的工作频率，此时DME也自动调谐到与VOR配对的DME工作频率上，机上DME接收机就可连续测出此时飞机到DME导航台的斜距，这个斜距数值也连续不断的输送到FMC去，直到FMC自动调谐到另一个频率的DME台再重新计算或DME接收机收不到原来调谐的地面台信号时止。因DME测的是斜距，飞机飞行高度已知，DME导航台的海拔高度已知，则可计算出飞机地面距离DME台的距离。当测得两个导航台的距离后，又由于在导航数据库内存储有该两DME的经纬度，有飞机的飞行高度，那么飞机的位置就可以确定了。但是，只用两个天线台距离信号还有一个问题。在同一个高度面上，两圆弧相交确定的位置是两个，其中一个位置点是模糊点而不是飞机的真实位置，区分真实飞机位置就要利用IRS输来位置信号，接近该位置的无线电定位位置就是飞机的真实位置。

二、DME/VOR无线电定位（ρ-θ定位）

如果DME无法接收到两个合格的地面DME导航台，那就只好选用DME/VOR（ρ-θ定位）无线电定位系统。也就是接收一个VOR的方位信号，再接收一个DME的距离信号来确定飞机的位置，但要求地面VOR和DME发射台连接到一起，否则也不能定位。

VOR地面台连续不断地向天空发射两种电波，一种是参考调频信号电波，向任何方向发射，飞机在任何位置都收得到的同一电波；另一种是由旋转天线发射的可变信号电波，这个信号电波的调幅相位随地面VOR台的径向方向而变。因此当飞机处在VOR台的不同径向时刻收到的参考调制信号是相同的，而收到的可变调幅相位是随径向线而变化的。这两个信号经过VOR接收机处理后，就可得到VOR台的方位数字信号并向FMC输送。FMC收到了同一地点的VOR和DME台的方位和距离信号以后，由于导航数据库中有地面导航台的经纬度，因此很容易确定飞机当时的位置，也就是当时飞机所处的经纬度。

三、ILS定位信号

仪表着陆航向修正功能计算是当飞机在进近阶段时进行的。飞行员作飞行计划时选用了仪表着陆方式，当飞机下降到大约1500英尺时，飞行员在方式控制板上选择“进近”方式后，FMC进入仪表着陆准备阶段，航向和下滑道接收机开始工作，飞机上的ILS接收机接收航向和下滑信号，并把航向和下滑信号的90HZ和150HZ调幅信号进行强度比较，作为航向偏离和下滑偏离信号，航向偏离信号输送到FMC的无线电位置功能块，而下滑偏离信号目前并不在FMC内使用。仪表着陆航向修正功能块还从导航数据库获得航向发射台位置，跑道着陆方位以及当地磁差等数据，用于确定无线电计算位置。

四、仅用IRS定位

飞机在地面或飞机在空中但没有有效的地面导航台的无线电信号时，那就使用IRS的三个位置数值的加权平均值作为飞机的位置数值。

第四节 飞行管理计算机的性能计算

前面所述FMC导航功能是确定飞机当时所在位置，负责飞机的飞行纵向剖面的飞行管理，引导飞机按预定航线飞往目的地。飞机的飞行纵向剖面管理，亦即飞机飞行的高度、速度、爬升和下降的速度等，则由FMC的性能功能部分电路实现。

飞机沿着预定航线飞行，飞行的纵向剖面参数，如飞行速度和高度等是决定飞机飞行经济成本的重要参数。飞机起飞后，飞机爬高速率、以多长时间爬到预订的高度、飞机的巡航高度、飞行的速度、能否分段爬到最高的巡航高度、什么时候开始下降、下降速率为多少等，关系到飞机飞这一预定航线所需飞行的时间，需耗用多少的燃油问题。都是由飞机上的FMC性能功能处理部分的工作来完成，FMC性能处理部分的工作需要由FMC的性能数据库提供基准数据、外部传感器送来一些信号数据，也要求飞行员在CDU上输入必要的数据和参数限制值等。

性能数据库提供的基准数据有发动机和飞机机身的一些参数和国际大气层参数。有关发动机的数据是飞机上安装的发动机型号、正常额定工作的温度、压力、发动机引气和燃油消耗、慢车参数、额定推力参数、穿越颠簸的发动机参数以及发动机数据等，飞机动力参数包括襟翼在收上和放下位置时的阻力，发动机停车后，飞行时产生的发动机阻力，飞机稳定性，起飞数据，经济下降速度、进近速度、仰角数据等，大气层数据包括高度、大气压力以及空速和马赫数的高度层转换数据等。

外部传感器有燃油系统，ADC、TMC以及位置传感器电子系统等，燃油系统输来的数据有燃油加法器输来的飞机当时的燃油量以及燃油系统流量、TMC提供发动机压力比或N[sub]1[/sub]（发动机低压转子转速）、发动机引气状态、发动机压力比或N[sub]1[/sub]参数的降推力值、襟翼位置等，大气数据计算机提供飞机高度、飞行空速和马赫数、空气静温等。

飞行员在CDU性能起始页上输入的飞机无燃油全重或飞机起飞全重、巡航高度以及风向、风速、假设温度等，而成本指数、阻力指数、燃油流量系数等数值由航空公司工程部门确定，一般不经常改变。

飞机起飞时，飞行员在方式选择面板上选择“V NAV”电门后，飞机的纵向剖面就可由FMC控制，FMC根据上述三方面的数据要求，性能处理部分计算出飞机所飞行的最佳纵向飞行剖面参数，既可节省飞机在空中飞行时间，又可以节省燃油耗量，而达到节约成本的目的。

第五节 飞行管理计算机的制导功能

飞行管理计算机的制导部分是FMC对飞机的自动飞行进行控制的关键部分。它和飞机的自动驾驶仪系统和自动油门系统通过控制关系联系在一起。

FMC的制导部分存储有实施航路的横向的纵向航段剖面数据。它计算飞机应该所在的位置和飞机实际位置进行比较，根据它们之间的误差关系产生出操纵指令加到FCC和TMC。再由FCC和TMC产生实际的舵机指令和自动油门推力指令，操纵飞机保持在所要求的飞行剖面上，以实现FMC对飞机路径的自动控制。

FMC的制导功能是对飞机导航进一步的控制，它计算航迹偏差，并产生操纵指令，使飞机沿着所选定的飞行剖面飞行。

飞机在飞行时，通常由FMC进行全自动制导操作。当方式控制板L NAV衔接后，由FMC的制导功能提供倾斜指令，控制飞机沿着预计的航路轨迹飞行。V NAV衔接后，由FMC的制导功能部分提供速度或升降速度的纵向指令，使飞机沿着预计的纵向路径飞行。可以说，飞机在起飞后到着陆的整个飞行过程始终在FMC的控制之下。整个飞行过程除起飞、着陆外，飞行员只是通过CDU和其仪表系统指示对飞机的飞行进行实施监控。

完整的飞行计划是由飞行员在CDU上选定的，无论是选定预先储存的导航数据里的公司航路，还是由飞行员在键盘上输入计划航路，一旦飞行员按下在CDU上发亮的执行键以后，就开始执行横向和纵向制导功能。

第三章 控制显示组件（CDU）

CDU由包含有各种键的前面板、一个阴极射线管、一个8位微处理器，包含有接收和发送信号与控制字符产生和显示的内部电路，高低压电源和壳体组成。整个CDU组件重约20磅。CDU要求使用115V400HZ单向交流电，耗电越为65瓦，为防止工作时内部电路过热，采用强制空气通风冷却系统进行冷却。

CDU是FMCS进行人-机联系的一个重要部件。它和普通电子计算机的键盘和终端的集合体一样，建立操作者和FMC之间的联系。不同的是在CDU前面板上除有一般键盘所具有的字母数字键、符号键、清除、删除等键外，还有方式、功能、行选键，可以执行许多特殊功能，以简化驾驶员的操作。CDU安装在飞机驾驶舱中央操纵台的前电子面板上。正、副驾驶各一个。每个CDU独立的工作，共同控制FMC运行。任一个CDU都可以用来输入系统数据，并且也会出现在另一个CDU的相同页面。

FMCS在飞机起飞前要做起始工作，使整个系统正常运行。主要工作是选定飞机飞行航线，对IRS进行位置起始，输入性能数据，使FMCS实施L NAV和V NAV，选定起飞机场，离场及进场程序等，都是集中在CDU上进行操作的。起始工作完成后，FMC才能完成它的导航、性能及制导功能，才能执行横向导航和纵向导航功能。

城市国家 · 发表于 2011-3-13 00:48:33

很好的资料，谢谢楼主了。

zhaozhiliao · 发表于 2011-3-13 14:50:09

飘过。。

maoshan · 发表于 2011-3-13 16:04:43

不错，很受益啊

b445319569 · 发表于 2011-3-13 17:10:42

非常感谢！

a-nan · 发表于 2011-3-13 22:54:26

原来这样 ··

chenxi_197604 · 发表于 2011-5-30 15:25:54

非常感谢！

just · 发表于 2011-5-30 21:26:08

非常感谢以前提供资源的各位同仁

英雄一代 · 发表于 2011-7-10 22:31:41

下下来看看

于 2011-08-14 16:31:11 连续回帖自动追加:
谢谢分享

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