1、一、导航设备一、导航设备二、导航（接收机）的管理二、导航（接收机）的管理三、导航计算方法三、导航计算方法四、滤波器四、滤波器五、位置信号的修正五、位置信号的修正FMCFMC导航功能举例导航功能举例六、六、FMCFMC导航功能举例导航功能举例第三节 FMCS导航功能导航 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水平控制过程。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跃的航路点的距离；预定到达时间；确定速度等。导航系统都需要解决的三个主要问题是：w如何确定飞机当时的位置；w如何确定飞机从一个位置向另一个位置前进的方向；w如何确定离地面某一点的距离或速度、
2、时间。当然，现代飞机导航系统所要解决的问题还很多，但主要的是这几个基本问题。从根本上说，导航就是给飞行员提供飞机飞行中位置、方向、距离和速度等导航参量。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 还要有连续的、适时的操纵指令输出，并使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，产生沿着飞机机体方向的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横向加速度以改变飞机的航向；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以预定航线、以经济方式飞向目的地。第三节 FMCS
3、导航功能本节所述的“导航”是指飞行管理系统实现的其中一个功能，而不是泛指的导航。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。即用来完成：w 导航管理；w确定飞机的当前位置、速度、飞行路径角、偏流角和航迹角；w 计算当前的风值。w 计算水平位置精度（实际的导航性能ANP） 第三节 FMCS导航功能FMC使用下列输入来计算其导航参数：w惯性位置（纬度、经度和惯性平滑的高度）w垂直速度（惯性平滑的）w地速分量（NS、EW速度矢量）w航向（磁航向和真航向）w气压高度（未修正的和气压修正的）w真空速wGPS数据wDME斜距wVOR方位wIL
4、S LOC偏离在整个飞行阶段，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。第三节 FMCS导航功能w水平位置该功能计算飞机当前的纬度和经度。w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的ISDU输入到IRS的计算机去。整个系统就开始工作。w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。补充：FMC使用从GPS数据和ADIRU的输入计算的位置来修正其基于ADIRU的惯性水平位置。这是FMC位置，如果数据是有效的，FMC将使用其本侧的来自多模式接收机的GPS输
5、入。如果本侧的数据无效，则对侧的GPS数据将被使用。第三节 FMCS导航功能二、导航（接收机）的管理导航管理是指对导航接收机的管理。导航管理是导航功能块的一个子模块，可用来选取待自动调谐的导航设备和实现自动调谐。如果某些导航设备一旦出现故障或距离/几何要求不满足时，可重新选择导航设备和重新调谐。此外，还可人工参与调谐。FMC向导航控制面板发送4个导航台频率。频率然后送到DME询问器。如果控制面板有故障，则DME询问机直接从FMC获得数据 。“导航管理导航管理”要求输入要求输入w电子飞行仪表系统（EFIS）：选定的最接近飞机当前位置的20个导航台，以供“导航管理”选择；wVOR控制板给出的自动/
6、人工调谐信息；wILS选定信息；以“导航管理”在决策时的依据；w导航数据库给出的相对应的一些导航数据：导航台位置、频率、海拔高度等等。w飞行管理计算机内部制导功能块提供的参数，经“导航管理”处理后，输出：w选定的导航方式和导航设备；w调谐VOR/DME的频率值；响应遥控的调谐要求（由CDU输入）。导航管理模块设计的准则 导航设备按导航定位方式的优先级来选择。其优先级：w测距测距（/）；w测距测角（/）。 前者优先级最高。当无线电导航不能实现时，则只能选用惯性基准系统（IRS）。如果途中导航设备出现故障，则仍按上述优先级降级重选导航设备。当无线电导航的定位方式确定后（即选定了/或/后），选择EF
7、IS提供的20个导航台中最佳的导航台。当导航台选定后，必须检验该导航台是否满足要求，例如：飞机是否处在VOR的混乱圆锥区等等。这些设计的准则，其目的是确保导航的正常进行和导航的精度。图32为导航管理的流程图 图中符号：为飞机当前位置到地面台的距离；h为飞机当前的飞行高度；HL、LL和TM分别表示地面台的类型：h18000英尺为高层型（HL），此时仅能选用高层型的地面台，其最大距离为25海里。h12000英尺为末端型（TM），则可采用末端型、低层型和高层型的地面台，其最大距离为25海里。介于1800012000英尺之间的为低层型（LL），在此高度范围内，可选择高层型或低层型的地面台，其最大作用距
8、离为40海里。导航台选取原则：在/导航方式中：选择相应两个地面台时，这一对地面台必须满足一定的几何关系，即：w当飞机高度小于12000英尺，交会角必须在30-150的范围内。w当飞机高度大于12000英尺时一对地面台的交会角应接近90。在/导航方式：其最佳的台则为最近飞机的地面台。EFIS根据导航数据库的一些数据，选择在200海里范围内最近飞机位置的20个地面台，编辑成表（每2分钟编辑一次），送入导航管理模块，作为选择DME/DME一对地面台或DME/VOR台的依据。当驾驶员通过VOR控制板选定自动调谐状态，和通过ILS控制板决定不选用ILS时，导航管理功能块即进行自动调谐。在选择导航方式时：
9、首先判断各导航设备工作正常与否，如DME/DME正常，则首先选用它，否则选择DME/VOR或IRS。（1）当选定/后，先删去小于和最接近9海里的台，再在剩下的台中选择配对和计算合适的几何关系。如果选出的一对台满足要求，即：wh12000英尺时，交会角在30-150之间，或：wh12000英尺时，交会角接近90。则选择该对地面台，并给出此二台的频率，对DME/DME自动调谐。（2）如果找不到一对能满足这些要求的，则程序自动转入寻找/导航，选择一个最近飞机位置的地面台。（3）如/导航中仍找不到合适的一个地面台，程序转入IRS导航，并在CDU上显示此状况。“导航管理”功能块每5秒钟自动调谐一次。（4
10、）当导航设备出现故障后，它能自动重新选择导航设备，和重新自动调谐，以确保导航的正常进行。确定自动调谐频率和其它调谐信息的和数据有：w飞机在空中；w自动调谐；wIRS有效信号；wILS选择通道信号；以及w该FMC是主机还是属于从机等信号。 这些都是确定自动调谐的先决条件。w计算得来的飞机当时位置数据；w飞机当时高度；w制导部分电路来的：航路代码名称；航路程序要求的导航设备；当时实施的航路段等。 经导航管理选定了导航方式和相应的导航设备，并经调谐后，根据导航设备输出的相应值，即可计算飞机当前位置等导航参数。由导航功能给出的各值，为EFIS和CDU提供必要的显示信息，也为以后的制导提供所需的参数。三
11、、导航计算方法w假设北京的位置为P，经度为P纬度为P，w济南的位置为Z，经度为Z纬度为Z， 北京到济南段的理论航线就是北京和济南的连线PZ，如果飞机始终沿着PZ飞行，也就是始终保持飞机的应飞航向P（P是PZ线和磁北方向的夹角），那么，飞机能准确地飞达济南。 三、导航计算方法三、导航计算方法 FMC导航计算基本原理：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A，并要不断测定飞机的实际航向r。这样，当飞机偏离到A点时，FMC应计算飞机的应飞航向A，从IRS得到飞机的实际航向r，求取飞机在A点的航向误差=r-A 。然后，FMC把误差输到飞机的飞行控制系统，操纵
12、舵面使飞机改变飞行姿态，一直到航向误差为0，飞机便沿AZ航线飞行。 FMC导航计算基本原理（续）(一)位置计算 飞机在飞行中任何瞬时的坐标经纬度由FMC根据无线电信号和IRS信号进行计算。北京的经纬度为P和P ，飞机飞到A点，其纬度的增量为，经度的增量为，那么在任一瞬时的经、纬度为： dtVKHRrgteppA)cos()(218020dtVKHRArgteppAcos)sin()(218020式中:P、 P飞机在北京起飞时的经、纬度；Re地球半径； 偏流角;H 飞机飞行的平均高度; K、K 经纬度的修正因子，即椭圆度修正；。以上这些数据都储存在FMC的导航数据库内，都是已知的。由/计算位置
13、/定位即:测距测距。它是通过机上的二台DME装置，测量飞机到二个地面台的距离，来确定飞机当前位置的一种方法.要测距除了机上要有DME询问机外,还要有地面DME应答机. 首先,FMC自动选定某一个地面DME台的工作频率进行自动调谐,(或由飞行员人工选顶与DME台在一起的VOR台的工作频率.此时,机上DME也自动地调谐到到与该VOR配对的DME工作频率上.)海里微秒微秒/363.1250TST-发射电波到接收颠簸之间的时间;S-距离;12.363:电波每传播一海里并返回所需时间.发射机距离计算和显示接收机发射机发射机接收机接收机询问脉冲询问脉冲回答脉冲回答脉冲机上机上DMEDME询问机询问机地面地
14、面DME应答机应答机SDBAOCGB A BADHFE AB ABmxZXmZZdXd上图中A,B分别为二个地面台的所在位置,设A台的地理位置为(XA,ZA);B台为(XB,ZB).飞机在该坐标系上的投影点为C,其坐标假设为(Xc,Zc).由机上DME测得的飞机到A台和B台的距离分别为A , B.因为因为A A和和B B二个地面台在坐标系二个地面台在坐标系OXdZdOXdZd上的位置是已知的上的位置是已知的, ,因因此二个地面台之间的距离此二个地面台之间的距离ABAB为为: :22)()(ABABZZXXAB直线直线ABAB相对相对OZOZd d轴的方位角轴的方位角 ABAB为为: :)(AB
15、ABABZZXXarctg由余弦定理可得由余弦定理可得BCBC边的对角边的对角 的余弦值为的余弦值为: :ABABABA2cos222直角三角形直角三角形ACDACD的边长的边长ADAD与与CDCD为为: :ABABADBAA2/ )(cos22222sinADCDAA三角形三角形AHDAHD的边长的边长AH(mAH(mZ Z) )与与HD(mHD(mX X) )为为: :ABxABZADmHDADmAHsincos因为因为: :X=CF+GF=CF+MxX=CF+GF=CF+Mx Z=DF+DE=DF+MzZ=DF+DE=DF+Mz测距机所得的距离是飞机到地面DME台的斜距S.已知A台的海拔
16、高度为B,由大气数据计算机测得的飞机气压高度为A,地面距离D为:22)(BASD应当说明的是,机上DME测得的是飞机到地面台的斜距,而不是上述中A和B的水平距离.这是因为地球是一个椭圆型的球体,它的半径在各处不尽相同,赤道附近地球半径最大,而在南北极附近,地球半球最小.我们把飞机到地面DME台的斜距转为地面距离时,实际上不是直线距离,而是一个弧线距离.由于飞机所处地点地球半径不同,虽然有飞机到地面DME台的斜距相同,实际地面的弧线距离是不同的.SD2D1R1R2aabb 设飞机飞行高度为hc,飞机到地面DME台的斜距为S.若当地球半径为R1,那么,从飞机在地球上的投影a到地面DME台b之间的地
17、面距离为D1,D1所对地球圆心角为,360211RD 360222RD 21DD 21RR 若飞机在当地地球半径为R2的地区飞行,由于当地地球半径为R2, ,从飞机在地球上的投影a到地面DME台b之间的地面距离为D2,D2所对地球圆心角仍为.因为因为: :所以所以: :所以,当采用飞机上DME测距机来计算到地面DME台的地面弧线距离时,需要用本地地球半径的数值对计算值稍加修正,才能得到精确值.(一)位置计算二、按/计算飞机的当前位置 /即测距测角，它是通过机上DME和VOR装置或VORTAC（伏尔塔康），测量飞机到地面台的距离（）和测量飞机相对该地面台的方位（），确定飞机当前位置的一种导航方法
18、。tt240 2T参考相位信号可变相位信号旋转天线最大幅值位置60120公里ABVORDME地面台磁北27090180磁北0VOR台参考信号可变信号（北）0参考信号可变信号（南）0参考信号可变信号（西）0参考信号可变信号（东）/定位VOR连续不断地向天空发射两种电波：w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；w旋转天线发射的可变信号电波，其调幅相位随地面VOR台的经向方向而变；当飞机处在VOR台的不同经向的同一时刻收到的参考调频信号电波是相同的，而收到的可变调幅信号电波的调幅相位是随经向线而变化的。这两个信号分别经过调频和调幅检波后，检测到它们之间的饿相位差。再经过
19、VOR接收机内部信号处理，向FMCS输送相对于地面VOR台的方位数字信号。FMCS收到了同一地点的VOR和DME台的方位和距离信号后，就可以很容易确定飞机当时的位置。由于在导航数据库中，地面台的经纬度已知道，那也就可以得知飞机当时所处的经纬度位置。ZdXd0YdBBAACYBYAZAXZNMD上图中OXdYdZd为当地地理坐标系, OXdZd为水平面(海平面).假设已知地面台B在坐标系上位置为(XBYBZB),B为B点在水平面上的投影.飞机在该坐标系的位置坐标值为(XAYAZA),飞机在水平面上的投影点为A.地面台B相对磁北的磁差以M表示.由飞机上ADC可测得飞机当前的气压高度YA值.因为地面
20、台的海拔已知,则可得飞机的实际飞行高度AC=h为: h=YA-YB由机上DME测得飞机A到地面台B的距离值,机上VOR测得飞机相对该台的方位角为值.因此,BC(AB)距离可计算得:)cos()sin(cossin90)(222222MBBAMBBAMBAhZZZZhXXXXBAXBAZYYBA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.飞行员做飞行计划时,若已经选用了仪表着陆方式（ILS）,那么,飞机在下降到大约离地1500英尺时,飞行员在DFCS的MCP班上选用了“APP(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。当航向接收机截获航向道，亦即飞机在截获航
21、向道过程中，航向偏离信号，偏离信号变化率，飞机的倾斜角等数值小于一定值。航向道截获后，航向修正开始，根据ILS的航向道偏离信号，经过运算处理，转为制导指令，由DFCS操纵副翼使飞机保持在跑道中心线上。飞机在地面或飞机在空中但没有有效的无线电信号时，那就只使用IRS的三个位置数值的加权平均值作为飞机的位置数值。北YdZdXd东o（X1，Z1）（X2，Z2）VHGXVTXVWXVGVWVTVWTG（三）速度与风值的计算（三）速度与风值的计算计算飞机当前速度和风速值的原始信息，是由IRS、ADC和无线电导航设备等装置提供的。wIRS提供飞机的地速、升降速度、真航向和磁航向等信息。wADC则提供飞机的
22、真空速信息。 由此可计算得速度、风速、飞行轨迹角、航迹偏转角g和偏流角等值。 由上述可知，按/或/可计算得飞机每一时刻的当前位置。假设飞机在某一时刻的当前位置（在水平面上的坐标值）为（X1，Z1）经T时刻后飞机的位置移动到坐标（X2，Z2）值，则飞机的平均地速值在沿OXd轴和沿OZd轴上的分量VGx和VGy TZZVTXXVZGzzGx/ )(/ )(11根据ADC提供的VT值和IRS提供的真航向T值，以及以上计算得到的VG值，即可计算风速值。风速在OXd和OZd二轴上的分量VWX和VWZ，和风速值VW可得：飞机的平均地速Vg值则为：22GzGxGVVV飞机的相应航迹偏转角 为：G)(1GZG
23、XGVVtgVTGwVVVTTGGWZTTGGWXVVVVVVcoscossinsin22WZWZWVVV由前图几何关系，可以求得风向W为：WZWXWVVarctg可得偏流角f为： f =T -G尾随风VWT的大小为： VWT = VW cos（G -W）侧风VWC的大小则为： VWC = VW sin（G -W）飞机的总的飞行速度V为：利用上述推导公式，即可计算飞机的当前位置、速度和风速值。22HVVG速度与风值的计算（四）航迹角、应飞航向和待飞距离航迹角：AZZAZarctgcos)(应飞航向：AZzAZAarctgcos)(待飞距离：sincoscos18021ZAZazeRDDD飞机应
24、飞航向A和待飞距离D也有许多中计算方法，下面只举例一种简单的方形计算法（适用于 2）。五、位置信号的修正FMC首先接收来自IRS的飞机当时位置信号、飞机航向和飞机速度数据作为基本的导航数据。之所以使用IRS的数据作为导航的基本数据，是因为IRS是一种自主式导航系统，也称为推算式导航法。但由于IRS自身结构及设计原理使其随着航行时间和航行距离的延长，位置累积误差越来越大。因而，经过一定时间后，需要用别的信号对IRS的位置数据进行修正。 飞机起飞后，无线电导航系统开始工作。作为FMS的传感器的无线电导航接收机是两台DME和VOR，它们是靠接收和处理地面发射台的无线电电波而工作的。无线电导航的定位时
25、间短，精度高，设备简单可靠。FMS就是用无线电导航确定的位置对惯性基准装置的位置进行修正。修正是在飞行途中进行的，尤其是在跨洋飞行前，必须对惯性基准装置进行快速对准，以将惯导位置校正到当时准确的无线电位置上，或计算出跨洋飞行前惯导位置与无线电位置之间的偏差值，以便在无法收到无线电位置时，对惯性基准装置计算出的位置进行修正。 五、位置信号的修正五、五、FMCFMC导航功能举例导航功能举例-B737-800-B737-800FMCS导航功能计算以下数据：w水平位置w垂直位置w实际导航性能（ANP）FMC使用ADIRU位置、航向和速度数据滤波的导航传感器的独立的测量值产生一个在水平面内飞机位置的精确
26、计算。注意：ADIRU必须是在NAV方式下，才能向FMC提供有效的数据。B737-800B737-800导航功能在同一时刻，FMC只选择一种导航更新方式。计算/更新FMC位置使用的的传感器和他们被选择的优先级如下：wADIRU/GPSwADIRU/DME/DMEwADIRU/DME/VORwADIRU/ DME/LOCw仅 ADIRU B737-800B737-800导航功能w 作为FMC位置更新的最高优先级是从MMR中的GPS接收机来的GPS数据。w 下一个优先级是具有最佳距离和几何条件的1对DME台。DME/DEM更新的最大范围通常是200海里（NM），但FMC总是使用那些最接近飞机位置的
27、台。FMC总是调谐两个DME，其交会角度大于30，小于150（最佳角度是90）。如果在范围之内没有两个DME台或没有必需的几何条件，FMC将使用来自同站安装的VOR/DME台的DME距离和VOR方位。最大的VOR/DME更新距离是25海里。注意：FMC将自动调谐DME询问器，但VOR必须由飞行机组人工调谐。 B737-800B737-800导航功能w 在机场终端区域，当飞机截获航向道进近时，FMC使用LOC偏离和DME距离来更新FMC的位置。LOC/DME更新的最大的作用距离是20海里，并且飞机的高度必须不高于航向信标台标高6000英尺。同时，飞机的航迹必须在航向信标台航道的45之内，至少5秒
28、钟LOC偏离必须小于1.25点。w 如果GPS数据和NAV无线电数据得不到或无效，FMC仅使用FMC计算的一个固定的误差偏差进行修正的ADIRU数据。w 飞机在地面，如GPS数据有效，FMCS能够使用GPS数据来更新FMC位置，但不能用VHF NAV进行无线电更新。B737-800B737-800导航功能w水平位置：计算纬度和经度。FMC使用从GPS数据计算的位置和ADIRU的输入，并根据惯性水平位置来修正ADIRU。这就是以经纬度来计算的FMC位置。如果数据是有效的，FMC将使用本边多功能接收机（MMR）的GPS输入，如果本边的数据无效，则使用对边的GPS数据。w垂直位置：计算高度和飞行航迹
29、角（FPA）高度是从ADIRU惯性高度经气压高度修正而计算得到的。飞行航迹角（FPA）是利用惯性垂直速度和FMC计算的地速计算得来的。当飞机在地面上时FPA是零。B737-800B737-800导航功能FMCS综合位置每个FMC使用一个信任系数，向另一个FMC发送本边的FMC位置。信任系数是根据每个FMC和在位置计算中正在使用的导航传感器的估算的准确度得到的。在每个FMC中，均使用FMC1位置和FMC2位置给出一个最终的FMC位置。来自于FMC的这个最终位置计算值根据其相应的信任度的权重来决定FMCS的综合位置。在两个FMC之间，将连续比较这个最终FMCS位置和导航数据。B737-800B73
30、7-800导航功能实际导航性能（ANP）ANP是FMC计算位置的精确度，它是由FMCS在飞行的整个过程中以海里为单位计算的。它是以海里为单位，给出了一个与计算的FMC位置的等半径的一个圆弧圈，飞机在这个圆内的概率是95%。 使用以下数据计算ANP：w使用中的导航台wGPS的可用性和准确度wDME距离数据的准确度wVOR方位数据的准确度wADIRU漂移飞行中，ANP与RNP进行比较，这两个数值均在CDU的LEGS和POS SHIFT页面上显示，当ANP超出RNP时，“UNABLE REQD NAV PERF-RNP”信息会显示在两个CDU的便签行上。导航功能要求的导航性能（RNP）：是FMC在一
31、个确定的空间中导航性能的准确度要求。它是以海里为单位计算的，表示一个圆弧的半径，飞机在圆中的概率大于95%。 RNP的缺选值储存在导航数据库中。RNP的缺选值如下：海洋 12.0NM 航路中 2.0NM终端区域 1.0NM进近 0.5NMB737-800B737-800导航功能导航台选择和调谐主FMC选择2个FMC使用的，能够给出最准确估计的位置和有最好距离和几何关系的导航台。每个FMC向本边的导航控制板发送4个导航台频率，该频率送到DME询问器。如果控制板有故障，则DME询问机直接从FMC获得数据。分配给每个FMC的2对导航台进行位置更新。这几对导航台中，两个FMC之间最多有1个导航台是相同
32、的。主FMC使用最好的1对和第3好的导航台对，从FMC使用第2好和第4好的导航台对。如果只有1对导航台可用，主FMC使用其数据进行位置更新。与此同时，从FMC输出的位置是使用由1个固定偏差量修正的ADIRU位置。B737-800B737-800导航功能FMC选择机组使用FMC源选择电门选择主FMC。主FMC完成以下功能：w 选择用于两个FMC调谐的导航台；w 确定导航更新方式（ADIRU/DME/DME等）；w 向ADIRU发送初始对准位置。FMC源选择电门位置主FMC从FMCNORMAL 正常FMC1FMC2BOYH ON L 均使用左FMC1FMC2BOYH ON R 均使用右FMC2FMC1B737-800B737-800导航功能
