民用飞机自动飞行系统导航模式及相关告警设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇民用飞机自动飞行系统导航模式及相关告警设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要 随着民用飞机对导航、制导与控制自动化程度要求的提高，研究自动飞行导航模式具有重要的工程意义。以典型民机自动飞行系统两套FG架构为例，介绍航路导航和进近过程中的常用导航模式和FG控制转换逻辑，并对相关FD告警设计进行说明。
【关键词】飞行导引 控制模式 导航 告警
在民用飞机自动化程度日益提高的今天，自动飞行系统的复杂性也随之增加，采用多个控制器将系统分解为多个工作模式成为主流的设计方式。
在自动飞行系统众多的工作模式中，用来捕获和跟踪导航源、使飞机沿目标航径飞行的工作模式得到越来越频繁的使用。在导航模式中，导航系统的输出是自动飞行控制器的重要数据源。本文以典型民用飞机自动飞行系统架构为例，浅析导航模式和相关告警设计。
1 自动飞行导航模式
典型民机自动飞行系统包含两套飞行导引（FG）和飞行指引（FD），FG基于当前激活的工作模式向FD提供俯仰/滚转指令。一般情况下，两侧FD均显示耦合侧FG指令。
在航向选择、俯仰等模式下，FG根据导航输出的飞机姿态角、角速率、速度和加速度等，以及飞行员选择的参考航向、俯仰角、高度和速度，按照水平模式和垂直模式对应的控制律分别计算滚转和俯仰指令。在水平导航（LNAV）、垂直导航（VNAV）和进近（APR）模式下，除了上述信息外，还需要外部有效的导航源。
1.1 航路导航模式
当LNAV激活时，FG输出指令捕获和跟踪飞行员选择的航路导航源，如VOR、FMS。在LNAV选择后因不满足激活条件而处于预位状态时，FG会进入航向选择控制，直至所选择的导航源发出有效的捕获请求。以VOR导航源使用为例，在VOR偏差较小时，会立即产生VOR捕获请求，然后该侧FG自动进入跟踪VOR的控制方式。该侧FG利用从VOR获得的波束偏差以及航向偏差信息，形成倾斜角导引指令，从而控制飞机沿着飞行员指定的航路飞行。由于VOR台正上方存在一个形状似倒置锥形的顶空盲区，该区域内无法收到正常的VOR信号，因此，过台飞行时FG还会提供航位推算运行方式，保持航位推算的航向。如图1所示。
在LNAV模式、选择FMS作导航源时，FMS将GPS、VOR、DME等导航设备发送的数据综合处理后得出飞机精确位置，并依据飞行计划给出指引，然后FG和FD跟踪FMS计算出的横向指令。当FG垂直模式为VNAV时，FMS将选择FG的一系列垂直控制方式，如VFLC、VPATH等，设定目标速度和高度进行爬升或下降，指引飞机沿预设的飞行计划飞行。
1.2 进近模式
当APR激活时，FG输出指令捕获和跟踪VOR、FMS、LOC等导航源进行精密或非精密进近。对于精密进近，APR模式还将自动激活相应的垂直控制模式以进行垂直方向的捕获和跟踪。以使用LOC/GS精密进近为例，在APR模式选择后，若因不满足激活条件而处于预位状态时，系统会跟踪FMS（FMS导航捕获激活时）或保持航向选择控制方式。在进入五边、LOC捕获请求有效时，FG将自动激活跟踪LOC的横向控制方式，随后，在飞机截获GS信号时，处于预位状态的GS控制模式将激活，指引飞机沿着LOC和GS进近着陆。对于非精密进近，FG横向模式将跟踪选择的VOR或LOC导航源，纵向模式可选择VS，以选择的垂直速率进近。
在设计APR模式下FG的控制转换逻辑时，考虑到FMS的自动调谐功能，FG的控制模式可以从跟踪FMS指令自动转换到跟踪LOC，以便实现从航路导航自动切换到精密进近，减轻飞行员的工作负担。但在APR模式下即使有LOC捕获请求，FG的控制模式也不能从跟踪VOR自动切换到跟踪LOC，即人为改变耦合侧的导航源或导航频率，将会导致横向和纵向模式自动变为基本模式，以避免因飞行员设置的新导航源参数不正确导致飞机出现偏差。
2 导航源相关的告警逻辑
FG监控器会监控所有输入数据的有效性，若当前选择的自动飞行模式使用的输入数据失效，会导致相应侧FG的横向或纵向控制器失效，从而触发告警。
FD 1 （2）fail（咨询级CAS）：左侧（右侧）FG横向或纵向控制器所需数据源无效；
FD1/2 红色告警旗：耦合侧FD不可用；
FD1/2 黄色告警旗：精密进近过程中耦合侧捕获下滑道而非耦合侧没有捕获。
当非耦合侧FG失效时，由于两侧FD都显示的耦合侧FG指令，无需机组立即采取动作，因此采用咨询级的CAS。但是，当耦合侧FG失效时，两侧FD指令不可用，此时在PFD上出现红色的告警旗，以警示飞行机组当前的FD不可用。
一般情况下，两侧FG可使用不同的导航源，只要两侧的导航源均有效，则不会出现告警。但在某些情况下，由于导航源与自动飞行模式不匹配，也会导致FD相关告警。如，自动飞行模式为LNAV和VNAV，左侧导航源为FMS，右侧导航源为VOR，耦合在左侧。因为FMS可以提供有效的横向和纵向导航指令，左侧FG能正常工作。同时，右侧FG也需按同样的控制模式工作，但VOR不能提供有效的垂直指令，因此，右侧FG垂直控制器失效会触发FD2 Fail告警。
作者单位
上海飞机设计研究院航电部 上海市 201210