Введение
Система управления полетом (FMS) является фундаментальным компонентом современной авионики авиалайнера. FMS – это специализированная компьютерная система, автоматизирующая широкий спектр задач в полете и снижающая нагрузку на летный экипаж до такой степени, что современные гражданские самолеты больше не требуют инженеров или навигаторов. Основная функция FMS – управление полетом по заданному плану полета. Используя различные датчики (такие как GPS и INS, часто с резервным радионавигационным обеспечением) для определения местоположения самолета, FMS может вести самолет по плану полета. Управление FMS из кабины пилотов обычно осуществляется через блок управления и индикации (CDU), который включает в себя небольшой экран и клавиатуру или сенсорный дисплей. FMS передает план полета для отображения на электронную систему приборного оборудования (EFIS), навигационный дисплей (ND) или многофункциональный дисплей (MFD). FMS можно представить как систему, состоящую из компьютера управления полетом (FMC), CDU и шины обмена данными. Современная FMS была впервые внедрена на Boeing 767, хотя более ранние навигационные компьютеры существовали и ранее. В настоящее время системы, подобные FMS, устанавливаются на самолетах, таких маленьких, как Cessna 182. В процессе эволюции FMS претерпела множество изменений в размерах, возможностях и элементах управления. Однако определенные характеристики остаются общими для всех FMS.
A flight management system (FMS) is a fundamental component of a modern airliner's avionics. An FMS is a specialized computer system that automates a wide variety of in flight tasks, reducing the workload on the flight crew to the point that modern civilian aircraft no longer carry flight engineers or navigators. A primary function is in flight management of the flight plan. Using various sensors (such as GPS and INS often backed up by radio navigation) to determine the aircraft's position, the FMS can guide the aircraft along the flight plan. From the cockpit, the FMS is normally controlled through a Control Display Unit (CDU) which incorporates a small screen and keyboard or touchscreen. The FMS sends the flight plan for display to the Electronic Flight Instrument System (EFIS), Navigation Display (ND), or Multifunction Display (MFD). The FMS can be summarised as being a dual system consisting of the Flight Management Computer (FMC), CDU and a cross talk bus. The modern FMS was introduced on the Boeing 767, though earlier navigation computers did exist. Now, systems similar to FMS exist on aircraft as small as the Cessna 182. In its evolution an FMS has had many different sizes, capabilities and controls. However certain characteristics are common to all FMSs.
План полета
План полета обычно определяется на земле перед вылетом, либо пилотом для небольших самолетов, либо профессиональным диспетчером для авиалайнеров. Он вводится в FMS либо вручную, либо путем выбора из сохраненной библиотеки стандартных маршрутов (Company Routes), либо через канал данных ACARS с диспетчерским центром авиакомпании. Во время предполетной подготовки вводится другая информация, необходимая для управления планом полета. Это может включать данные о характеристиках, такие как общий вес, вес топлива и положение центра тяжести. Также указываются высоты, включая начальную высоту эшелона. Для самолетов, не оснащенных GPS, требуется также ввод начальной позиции. Пилот использует FMS для изменения плана полета в полете по различным причинам. Тщательное проектирование минимизирует количество нажатий клавиш, чтобы снизить нагрузку на пилота в полете и исключить вводящую в заблуждение информацию (опасную дезинформацию). FMS также передает информацию о плане полета для отображения на навигационном дисплее (ND) приборной панели в электронной системе индикации пилотажно-навигационных приборов (EFIS). План полета обычно отображается в виде пурпурной линии, с указанием других аэропортов, радиомаяков и пунктов прохождения. Некоторые FMS могут рассчитывать специальные планы полета, часто для тактических задач, таких как схемы поиска, точки встречи, орбиты дозаправки в воздухе и расчетные точки сброса (CARP) для точных парашютных прыжков.
Определение позиции
Одна из основных задач FMS в полете – получение определения местоположения, то есть определение положения воздушного судна и точности этого определения. Простые FMS используют один датчик, как правило, GPS, для определения местоположения. Но современные FMS используют как можно больше датчиков, таких как VOR, для определения и подтверждения своего точного местоположения. Некоторые FMS используют фильтр Калмана для интеграции данных о местоположении от различных датчиков в единую позицию. К распространенным датчикам относятся:
GPS-приемники авиационного качества выступают в качестве основного датчика, поскольку обладают наивысшей точностью и целостностью. Радиосредства, предназначенные для навигации воздушных судов, являются датчиками второго по качеству. К ним относятся:
Сканирующее DME (оборудование для измерения расстояния), которое одновременно проверяет расстояния от пяти различных станций DME, чтобы определить местоположение каждые 10 секунд. VOR (VHF всенаправленный радиодальномер), предоставляющие пеленг. С помощью двух станций VOR можно определить местоположение воздушного судна, но точность ограничена. Инерциальные эталонные системы (IRS) используют кольцевые лазерные гироскопы и акселерометры для вычисления местоположения воздушного судна. Они отличаются высокой точностью и независимостью от внешних источников. Авиакомпании используют средневзвешенное значение трех независимых IRS для определения позиции "тройной смешанной IRS". FMS постоянно перекрестно проверяет данные от различных датчиков и определяет единое местоположение и точность воздушного судна. Точность описывается как фактическая навигационная производительность (ANP) – окружность, внутри которой может находиться воздушное судно, диаметр которой измеряется в морских милях. Современное воздушное пространство имеет установленные требования к навигационной производительности (RNP). Для работы в определенных воздушных пространствах высокого класса воздушное судно должно иметь ANP меньше, чем его RNP.
Airline quality GPS receivers act as the primary sensor as they have the highest accuracy and integrity. Radio aids designed for aircraft navigation act as the second highest quality sensors. These include;
Scanning DME (distance measuring equipment) that check the distances from five different DME stations simultaneously in order to determine one position every 10 seconds. VORs (VHF omnidirectional radio range) that supply a bearing. With two VOR stations the aircraft position can be determined, but the accuracy is limited. Inertial reference systems (IRS) use ring laser gyros and accelerometers in order to calculate the aircraft position. They are highly accurate and independent of outside sources. Airliners use the weighted average of three independent IRS to determine the “triple mixed IRS” position. The FMS constantly crosschecks the various sensors and determines a single aircraft position and accuracy. The accuracy is described as the Actual Navigation Performance (ANP) a circle that the aircraft can be anywhere within measured as the diameter in nautical miles. Modern airspace has a set required navigation performance (RNP). The aircraft must have its ANP less than its RNP in order to operate in certain high level airspace.
Руководство
С учетом плана полета и местоположения воздушного судна, система FMS вычисляет необходимый курс. Пилот может следовать этому курсу вручную (аналогично следованию по радиалу VOR), либо автопилот может быть настроен на автоматическое следование курсу. Режим FMS обычно обозначается как LNAV, или боковая навигация, для горизонтального плана полета, и VNAV, или вертикальная навигация, для вертикального плана полета. VNAV предоставляет целевые значения скорости и тангажа или высоты, а LNAV выдает команды крена автопилоту.
ВНС
Сложные самолеты, как правило, авиалайнеры, такие как Airbus A320 или Boeing 737 и другие самолеты с турбовентиляторными двигателями, оснащены полноценной вертикальной навигацией (VNAV). Цель VNAV – прогнозировать и оптимизировать вертикальный профиль полета. Наведение включает управление углом атаки и управление тягой. Для этого FMS (система управления полетом) должна иметь комплексную модель полета и двигателя, чтобы располагать необходимыми данными. Функция может создать прогнозируемый вертикальный профиль вдоль заданного маршрута, используя эту информацию. Производитель самолета обычно является единственным источником этой всеобъемлющей модели полета. Вертикальный профиль строится FMS во время предполетной подготовки. Вместе с горизонтальным планом полета, она использует начальный пустой вес самолета, вес топлива, положение центра тяжести и эшелон крейсерского полета. Первый шаг на вертикальном курсе – набор крейсерской высоты. Вертикальные ограничения, такие как "На или выше 8000", могут присутствовать в некоторых точках прохождения SID (стандартный маршрут вылета). Для экономии топлива может использоваться снижение тяги или "FLEX" набор высоты на протяжении всего подъема. Все это необходимо учитывать при построении вертикального профиля. Реализация точной VNAV сложна и дорога, но она окупается за счет экономии топлива, в основном на крейсерском полете и при снижении. На крейсерском полете, где сжигается большая часть топлива, существует несколько методов экономии топлива. По мере расхода топлива самолет становится легче и может подниматься выше, где меньше сопротивление воздуха. Этому способствуют ступенчатые наборы высоты или непрерывный набор высоты. VNAV может определить, где следует выполнять ступенчатые или непрерывные наборы высоты, чтобы минимизировать расход топлива. Оптимизация характеристик позволяет FMS определять оптимальную или наиболее экономичную скорость для горизонтального полета. Это часто называют скоростью ECON. Она основана на индексе стоимости, который вводится для определения баланса между скоростью и топливной эффективностью. Индекс стоимости рассчитывается путем деления почасовой стоимости эксплуатации самолета на стоимость топлива. Обычно индекс стоимости 999 обеспечивает максимально возможную скорость ECON без учета расхода топлива, а индекс стоимости 0 обеспечивает максимальную экономию топлива, игнорируя другие почасовые расходы, такие как расходы на техническое обслуживание и экипаж. Режим ECON – это скорость VNAV, используемая большинством авиалайнеров на крейсерском полете. RTA (расчетное время прибытия) позволяет системе VNAV ориентироваться на прибытие в определенную точку маршрута в заданное время. Это часто полезно для планирования слотов прибытия в аэропорт. В этом случае VNAV регулирует крейсерскую скорость или индекс стоимости, чтобы обеспечить соблюдение RTA. Первое, что VNAV рассчитывает для снижения, – это точка начала снижения (TOD). Это точка, где начинается эффективное и комфортное снижение. Обычно это включает снижение на неустановленной тяге, но для некоторых самолетов снижение на неустановленной тяге слишком крутое и неудобное. FMS рассчитывает TOD, "проигрывая" снижение в обратном направлении от касания полосы через заход на посадку и до крейсерского полета. Она делает это, используя план полета, модель полета самолета и ветер при снижении. Для FMS авиакомпаний это очень сложное и точное предсказание, а для простых FMS (на небольших самолетах) его можно определить по эмпирическому правилу, например, по траектории снижения под углом 3 градуса. От TOD VNAV определяет четырехмерный прогнозируемый маршрут. Когда VNAV устанавливает тягу на минимальную, самолет начинает снижение по траектории VNAV. Если прогнозируемый маршрут неверен или ветер попутный отличается от прогноза, самолет не будет идеально следовать по маршруту. Самолет изменяет тангаж, чтобы поддерживать траекторию. Поскольку тяга минимальна, это будет модулировать скорость. Обычно FMS допускает изменение скорости в небольшом диапазоне. После этого либо тяга увеличивается (если самолет ниже траектории), либо FMS запрашивает выпуск тормозных щитков с сообщением, часто "ТРЕБУЮТСЯ ТОРМОЗНЫЕ ЩИТКИ" (если самолет выше траектории). На самолетах Airbus это сообщение также отображается на ПИД (индикатор на лобовом стекле), и, если самолет находится слишком высоко над траекторией, будет отображаться "БОЛЬШЕ ТОРМОЗНЫХ ЩИТКОВ". На самолетах Boeing, если самолет слишком отклоняется от заданного маршрута, он переключается с VNAV PTH (который следует по расчетному маршруту) на VNAV SPD (который снижается как можно быстрее, поддерживая выбранную скорость, аналогично OP DES (открытое снижение) на Airbus). Идеальное снижение на неустановленной тяге, также известное как "зеленое снижение", использует минимальное количество топлива, минимизирует загрязнение (как на большой высоте, так и вблизи аэропорта) и минимизирует шум вблизи аэропорта. Хотя большинство современных FMS больших авиалайнеров способны выполнять снижение на неустановленной тяге, большинство систем управления воздушным движением в настоящее время не могут обрабатывать несколько самолетов, каждый из которых использует свой оптимальный путь снижения к аэропорту. Таким образом, использование снижения на неустановленной тяге минимизируется диспетчерской службой.