国外民用飞机飞行管理系统发展现状与趋势样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。国外民用飞机飞行管理系统发展现状与趋势飞行管理系统( FMS) 是大型飞机数字化电子系统的核心, 它经过组织、 协调和综合机上多个电子和机电子系统的功能与作用, 生成飞行计划, 并在整个飞行进程中全程保证该飞行计划的实施, 实现飞行任务的自动控制。现代飞机上广泛采用的飞行管理系统是综合化的自动飞行控制系统( AFCS) , 它集导航、 制导、 控制、 显示、 性能优化与管理功能为一体, 实现飞机在整个飞行过程中的自动管理与控制。装备了飞行管理系统的飞机, 不但能够大量节省燃油, 提高机场的吞吐能力, 保证飞机的飞行安全和飞行品质, 而且能够大大提高驾驶舱的综合化、 自动化程度, 减轻驾驶员的工作负担, 带来巨大的无可估量的经济效益。当前, 一个典型的飞行管理系统不但能够根据飞机、 发动机性能、 起飞着陆机场、 航路设施能力、 航路气象条件及其装载情况, 生成具体的全剖面飞行计划, 而且能够实现多种功能, 包括: 经过主飞行显示系统显示和指示有关飞行信息; 经过无线电通信与导航系统获得通信、 空中交通和无线电导航数据; 经过飞行操纵系统控制飞机的姿态; 经过自动油门系统调节发动机功率; 经过中央数据采集系统收集、 记录和综合处理数据; 经过空地数据链系统收发航行数据; 经过机上告警系统提供系统监控和告警等功能。 1 飞行管理系统的发展历程飞行管理的概念最早能够追溯到20世纪20年代。自从1929年杜立特上尉历史性的盲目飞行后, 人们感到借助一个系统摆脱完全依靠飞行员的感官进行飞行的重要性。但飞行管理系统直到20世纪60年代才真正开始发展起来, 并大致经历以下5个发展阶段: 区域导航系统、 性能管理系统、 飞行管理系统、 四维导航和新一代飞行管理系统。 2 飞行管理系统的基本构成和功能飞行管理系统一般由一个飞行管理计算机系统( FMCS) 和所需的相关接口设备组成, 如电子飞行仪表系统( EFIS) 和自动飞行系统等设备。而一个典型的FMCS一般由飞行管理计算机( FMC) 和控制与显示单元( CDU) 两种组件构成。一个飞行管理系统一般能完成或辅助飞行员完成的基本功能包括: 飞行计划、 导航与制导、 性能优化与预测、 电子飞行仪表系统显示、 人/机交互和空地数据链。 3 国外民用飞机飞行管理系统发展现状当前, 美国是世界上飞行管理系统的产品的主要供应方, 核心技术主要掌握在美国霍尼韦尔公司等少数公司手中。为保障欧洲电子核心产品逐渐进入民用飞机的装备领域, 从上世纪80年代起, 在航空电子系统承包时, 欧洲空中客车公司就十分强调以欧洲公司为主, 扶植研发欧洲自己的飞行管理系统, 以凭借飞机平台的发展机会, 为欧洲航空电子厂家创造掌握核心知识产权的机会和条件。同时对于飞机的市场销售采取了灵活的应用方式, 即由飞机买主决定装备欧洲还是美国的飞行管理系统产品。这样既削弱了美国供应商一家独大的局面, 降低机载设备的装备成本, 增强了市场竞争力, 又在后继型号发展中不断深入消化、 逐步吸纳霍尼韦尔的先进技术, 提高欧洲的自研能力, 保障其飞机及航空电子系统的核心技术和知识产权效益不断增长。 4 世界主要的FMS生产商及其FMS系统从当前世界上飞行管理系统的应用情况来看, 当前生产飞行管理系统产品的公司主要有美国的霍尼韦尔有限公司、 罗克韦尔柯林斯公司和通用航空电子系统集团, 英国的史密斯航空航天公司, 法国的泰莱斯航空电子公司和加拿大的CMC电子组件有限公司。具体情况如表1所示。 表1 飞行管理系统产品应用情况国家研制公司FMS型号应用现状美国霍尼韦尔有限公司FMZ-900/920、 FMZ- 、 Primus EpicTM、 Pegasus、 等应用于多种类型的军用民用飞机, 包括全球快车、 B717/727/757/767、 MD-11/90、 A320/330/340等罗克韦尔柯林斯公司AMS-5000、 FMS-800/ 3000/4000/4200/5000/6000等适用于多种飞机, 包括支线飞机、 远程公务机、 轻/中型喷气机和涡轮螺旋桨飞机通用航空电子系统集团UNS-1B/1E/1F/1K/1M等UNS-1K适用于多种支线飞机、 其它型号均处于制造阶段英国史密斯航空航天公司FMCS、 FMS等FMCS处于制造阶段; FMS处于制造和服役阶段, 应用于B737/747、 VC-25和E-6等多种军用民用飞机法国泰莱斯航空电子公司有FMS、 AFCS、 AFDS等类型, 包括FMS-400、 AFDS 95-1/2等应用于多种军用民用飞机、 包括A400M、 A330/340等加拿大CMC电子组件有限公司CMA-900/3000/2082M等应用于B707/727/737/747、 DC9-30、 DC9-50、 EMB-110和MD-81/82/83/87等飞机国际合作泰莱斯航空电子公司/史密斯航空航天公司用于空中客车的FMS和New FM应用于空中客车公司的多种机型, 包括: A318/319/320/321/330/3405 飞行管理系统的种类及其在各类民用飞机上的应用不同用途、 不同航程的飞机所采用的飞行管理系统也各不相同, 例如罗克韦尔柯林斯公司的FMS系列中, FMS-3000是用于短程公务机的FMS, FMS-5000是用于中程公务机的FMS, FMS-6000是用于远程公务喷气机的FMS, FMS-4200是用于支线客气的FMS。当前国外不但大型民用客机均采用了新一代FMS, 公务机、 军用运输机以及无人机也采用了FMS。各航空公司可根据自己的需要选装某一公司的FMS产品, 同一型号的飞机不同国家、 不同公司甚至同一公司不同批次的飞机都可能选装不同的公司的FMS系统。表2 世界主要公务机采用的FMS系统国家或公司装备机型FMS型号 生产商Raytheon公司 Hawker 800XPFMS-6000Rockwell CollinsBombardierCanadair Challenger 604FMS-6000Rockwell CollinsGulfstreamGulfstream G100/G200FMS-6100Rockwell Collins法国达索公司Falcon 20FMS-6100Rockwell Collins法国达索公司Falcon 50EXFMS-6100Rockwell Collins法国达索公司Falcon FMS-6100Rockwell CollinsBombardierCL604Pro line 4/FMS-6000Rockwell CollinsBombardierCL300Pro Line21/FMS-5000Rockwell Collins美国比奇公司King Air 350UNS-1EUniversalGulfstream新Gulfstream G150 Pro Line 21 Rockwell CollinsCessnaCitation 750NZ HoneywellGulfstreamG VNZ HoneywellGulfstreamG IV (G IV-SP, G 300, G 400)NZ 或NZ 900HoneywellBombardierGlobal ExpressPrimus XP/NZ HoneywellBombardierGlobal 5000Primus XP/NZ Honeywell法国达索公司Falcon 900EXNZ HoneywellGulfstreamG IV-X (G 350, G 450)Epic FMSHoneywellGulfstreamG V-SP (G 500, G 550)Epic FMSHoneywellCessnaCitation 560.GNS-XL FMSHoneywell法国达索公司Falcon 50 & (EX)GNS-XLS FMSHoneywell法国达索公司Falcon 20 seriesUNS-1D FMSUniversal Avionics法国达索公司Falcon 50 & (EX)UNS-1D FMS Universal AvionicsBombardierDHC-8 Series 300UNS-1C+ with SCN 802.0UniversalBombardierDHC-8 Series 400UNS-1E with SCN 802.0UniversalBombardierLearjet 60UNS-1E with SCN 801.4UniversalBombardierLearjet 45/40UNS-1E with SCN 801.4UniversalBombardierLearjet 60UNS-1E with SCN 802.2UniversalBombardierLearjet 45/40UNS-1E with SCN 802.2Universal表3 运输机采用的飞行管理系统国家或公司装备机型FMS型号 生产商Boeing717s、 757s、 767s、 777s、 MD-10s、 MD-90sPegasus霍尼韦尔公司Martinair航空公司4架Boeing 747基于GPS的FMSCMA-900 CMC Electronics IncKalitta Air航空公司11架Boeing 747基于GPS的FMSCMA-900 CMC Electronics IncAir France航空公司8架Boeing 747-200基于GPS的FMSCMA-900 CMC Electronics IncAirBusA319s、 A320s、 A321s、 Airbus Corporate Jetliner (ACJ)、 A330s以及A340sPegasus霍尼韦尔公司Bae146/RJGNLS 910A FMS罗克韦尔柯林斯公司 BombardierCRJ200Pro line 4/FMS-4200罗克韦尔柯林斯公司 BombardierCRJ700Pro line 4/FMS-4200罗克韦尔柯林斯公司 BombardierCRJ900Pro line 4/FMS-4200罗克韦尔柯林斯公司 Bombardier Dash 8 Q400UNS-1EUniversalEmbraerEmbraer 170Primus EpicHoneywellEmbraerEMBRAER 170 / 175/ 190/ 195NZ UNS-1K ( 603/604 ) HoneywellUniversalEmbraerERJ145 / 135 / LEGACYNZ UNS-1K ( 603/604 )HoneywellUniversal6 国外最新一代干线客机FMS的特点 全面的基于性能的导航功能。可在规定的时刻把飞机引导到三维空间的某一个点上, 它将使飞机按空中交通管制系统的要求准时进场着陆, 既保证飞行安全, 又降低油耗。把惯导/卫星导航/无线电导航系统提供的数据加以处理, 用于远程途中导航和提高精确着陆导引能力, 与飞行控制系统、 推力控制系统和飞行仪表系统等配合, 实现飞行全过程的自动导航, 有效地提高飞行的安全性, 改进经济性和大大降低飞行员的工作负担。 具有全面的性能计算功能, 可计算如: 所需燃油和估计的到达时间( ETA) 等参数, 能基于最大效率或速度设计飞行计划 ; 能够设计航线更远、 更复杂的飞行计划, 包含的航路点最多可达150个。使用不同的性能选项对主目的地和备用目的地进行精确的飞行剖面预测, 包括所需到达时间( RTA) 模式, 其控制飞行到达时间误差仅为6秒; 在一些拥挤的空域能实现以规定的所需导航性能(RNP)精度飞行。 数据库存储量增长迅速, 存储内容也更加丰富。当前的存储量为20-32M字节( 导航数据库实际使用的仅为4-5M字节) , 可存储多达3000个航空公司飞行航路。借助世界范围的导航数据库, 具有远程、 大圆途中、 进近和垂直导航功能。如: A320系列飞机( A318/A319/A320/A321) 的FMS不但包含窄体飞机FMS所有的最新特征, 而且还含有远程飞机所具有的全球导航特性。 更注重系统的通用性。各种型号的FMS的多功能控制显示单元( MCDU) 最大程度上保持互用性, 界面布局基本一致; A320系列飞机的FMS硬件平台与A330/A340的相同, 采用了部分远程飞机的功能以减少不同型号飞机培训的差异。 图形式人机接口。多功能控制显示单元( MCDU) 采用彩色液晶显示器( LCD) , 具图形显示功能, 可显示气象雷达输出的气象图和TAWS/EGPWS产生的彩色地形图, 重量更轻、 功耗更小、 可靠性更高。现有的MCDU的MTBF为9000小时, 新的MCDU将达到11000小时以上。 更强的管理功能。为更好地对飞机进行性能管理和监控, 将发动机有关的信息输入飞行管理计算机, 并将推力管理系统融入飞行管理系统; 同时增强无线电管理功能, 可根据信号强弱和导航台位置自动选择最佳VOR和DME基站。 能满足未来航空导航系统( FANS) 的功能增长要求。通信、 导航、 监视/空中交通管理(CNS/ATM)应用新技术和程序处理不断增加的空中交通流量, 提高飞行安全性。新一代FMS增加新功能使飞行员能利用日益兴起的CNS/ATM提供的优化环境飞行直接航线, 并基于效率和飞行速度选择最佳高度, 使飞机更有效地飞行。 7 新一代民用运输机FMS的关键技术系统顶层设计和开发 系统功能需求分析。系统功能分析是电子系统解决方案的关键设计环节之一。这包括对飞机运行环境的透彻分析和评估, 确定电子系统功能如何满足飞机总体需求, 并需要对电子系统全寿命期的功能增长进行较科学地预测, 预计满足适航条件的功能、 技术先进性及风险折衷的一整套科学定义方法。 系统构型及总体评估。系统构型是执行系统功能需求的具体体现, 这包括功能的科学分配、 系统安全性和可靠性指标的预测、 系统硬件和软件的可用性、 系统构型的有效模型、 以及系统仿真环境建设及系统快速仿真, 这是一项对预定技术途径和任务目标的经济技术全面的数理化衡量的综合系统工程。 系统详细设计 系统功能分解和接口定义。系统功能分解的水平影响着实现所预计的系统经济设计指标的方法和手段, 它是系统详细构型的基础, 决定了电子系统与飞机各系统的交连关系, 系统软硬件需求和接口定义, 是一项工程经验和数据要求很强的研发阶段。 系统安全性分析。系统安全性分析是民机电子系统取得适航证的必然步骤, 因此是最富有民机航空电子系统特色的研发部分。它分为系统初步安全性分析、 系统安全性验证和评估三大阶段, 也是国内最为欠缺的工程实践。当前国内所进行的安全分析主要由人工进行, 欧美国家已达到计算机辅助分析、 自动生成安全性影响概率流程表的能力。 飞行管理 飞行性能管理是飞行管理的核心技术, 必须解决从起飞到着陆的全过程的性能管理, 这包括飞行各阶段的速度、 高度、 加速度、 俯仰、 滚转和各类动态偏差参数的计算, 而且根据民机的飞行要求, 求出安全的经济的可控指标。 导航管理方面, 最新需求是必须满足新航行系统的功能增长, 因此, 满足新航行系统导航性能需求的动态航路规划成为该项目的关键技术。 引导方面, 必须研制满足航空公司运行方式的性能成本控制模型, 有效的工程算法和切合飞行实际和大型飞机特性的控制引导指令成为引导管理的关键技术。 人机接口现代飞机向玻璃座舱过渡中飞行员面临的最大挑战之一就是对飞行管理系统(FMS)的理解问题。造成这一问题的主要原因之一就是FMS晦涩难懂的人机接口。当前的控制显示单元(CDU)不断增加的系统功能使菜单结构变得非常复杂。飞行员难于记住进入各个功能的操作和在功能在菜单系统中的位置。 1996年和1997年分别发生在Strauch和Dornheim的空难的主要诱因与FMS模式认知问题直接有关。经过实验和观察, 有关专家提出在CDU设计时应注意2点: 1是所提供的功能必须能更直接支持飞行员的操作任务, 特别是在需要空中交通管制( ATC) 许可的区域; 2是窗口或页的层次必须具有能提供功能间自然链接和便捷处理的机制。较好的设计应体现在减少飞行员培训要求和改进飞行员操作FMS的能力方面。 数据库及建模技术飞行管理数据库及其管理技术。主要有基于民航的导航数据库及其管理技术、 基于军航的导航数据库及其管理技术和包括飞机动力模型和发动机数据模型的性能管理数据库与管理技术; 导航管理模型。主要涉及自主导航与无线电导航综合的定位/定向滤波处理技术、 多模式( ILS,MLS,D-GPS) 进近着陆引导处理模型和符合所需导航性能( RNP) 的航路导航管理模型; 性能优化管理模型。主要是时间为最优的飞行性能处理模型与算法和以成本为最优的飞行性能处理模型与算法。制导模型建模技术, 包括飞行计划管理技术和基于成本指数的横向和纵向操纵指令生成技术。 设计及试验手段与设施新飞机嵌入式软件的复杂性已超出了当前验证和认证方法的能力范围, FMS在飞机上执行安全关键性功能, 其能正确工作十分重要。基于人工的审查、 处理限制和测试进行验证和认证对当前的产品来说已经是太昂贵了, 更不用说先进的、 以软件为基础的FMS系统。软件开发和验证工具采用数学和形式逻辑的理念与技术来说明和推论计算系统, 从而提高设计保证, 消除设计缺陷。它能对需求和设计进行综合分析, 对包括故障条件在内的系统行为进行全面探查。( 作者: 中国航空工业发展研究中心技术研究所 邓中卫 范秋丽 罗杰) ( 责编 洪山) 中国航空工业发展研究中心