01 什么是 “飛行管理系統(tǒng)”？
飛行管理系統(tǒng)（FMS, Flight Management System），中文簡(jiǎn)稱 “飛管”，是飛機(jī)航電系統(tǒng)的重要一員。
FMS 自 20 世紀(jì) 70 年代誕生以來(lái)，目前已有了跨越式發(fā)展。它作為航電關(guān)鍵系統(tǒng)，在現(xiàn)代民用飛機(jī)上均有配備。
現(xiàn)代民機(jī)飛行管理系統(tǒng)，可對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行管理，對(duì)飛行時(shí)間、飛行距離、飛行速度、飛行高度、經(jīng)濟(jì)剖面、飛行航跡等進(jìn)行預(yù)測(cè)，使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)導(dǎo)航，并以最佳飛行路徑、最佳飛行剖面和最省油的方式飛行。
因此，F(xiàn)MS 在整個(gè)飛行過(guò)程中，可以協(xié)助飛行員完成從起飛到著陸的各項(xiàng)任務(wù)，從而大大減輕飛行機(jī)組負(fù)擔(dān)，提升飛機(jī)操縱的自動(dòng)化程度，縮短飛行時(shí)間，提高飛機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
FMS 機(jī)上接口眾多，與顯示系統(tǒng)、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ADS，Air Data System）、慣性參考系統(tǒng)（IRS，Inertial Reference System）、飛控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等均有交聯(lián)關(guān)系。
FMS 的概念有廣義和狹義之分。廣義的 FMS，涵蓋了慣性參考、大氣數(shù)據(jù)、自動(dòng)飛行、顯示等關(guān)鍵交聯(lián)系統(tǒng)的部分功能和設(shè)備；而狹義的 FMS，則特指飛管計(jì)算機(jī)、人機(jī)接口及相關(guān)核心功能等。
02 FMS 的主要功能
根據(jù)美國(guó)航空無(wú)線電公司發(fā)布的 ARINC702 A-3，飛管計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能包括了綜合導(dǎo)航、飛行計(jì)劃、水平與垂直導(dǎo)引、性能計(jì)算、軌跡預(yù)測(cè)、航線運(yùn)營(yíng)通信(AOC，Airline Operational Communication)、機(jī)場(chǎng)導(dǎo)引、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)等。
這里挑選了飛行計(jì)劃管理、導(dǎo)航、水平和垂直導(dǎo)引、性能計(jì)算和軌跡預(yù)測(cè)等核心功能，進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
根據(jù)空客 A380、中國(guó)商飛 C919 等主流機(jī)型的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)MS 相關(guān)功能失效，一般不會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難級(jí)影響，因此其功能研制保證等級(jí)FDAL（Functional Development Assurance Level）通常定義為 B。
A. 飛行計(jì)劃管理
機(jī)組人員可以通過(guò) FMS 創(chuàng)建、編輯、保存多個(gè)飛行計(jì)劃，包括當(dāng)前飛行計(jì)劃、備用飛行計(jì)劃等。
FMS 可以從本地導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中，提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息，建立從起飛機(jī)場(chǎng)到目的地機(jī)場(chǎng)的完整航路（包括機(jī)場(chǎng)、航路點(diǎn)、航路、標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)和進(jìn)場(chǎng)程序），計(jì)算航段距離、時(shí)間、速度以及油耗等飛行計(jì)劃參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃管理功能。
B. 飛機(jī)導(dǎo)航
包括飛機(jī)實(shí)時(shí)位置計(jì)算、無(wú)線電調(diào)諧等。
FMS 可利用慣性參考傳感器、大氣數(shù)據(jù)傳感器等信息，計(jì)算飛機(jī)的水平位置、垂直位置、空速、地速、飛行軌跡、偏航角等，以支持飛機(jī)導(dǎo)航。
FMS 可以針對(duì)儀表著陸系統(tǒng) (ILS，Instrument Landing System)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星著陸系統(tǒng) (GLS，GNSS Landing System)、甚高頻全向信標(biāo) (VOR，VHF Omnidirectional Range) 等導(dǎo)航無(wú)線電設(shè)備，進(jìn)行管理和調(diào)諧。以支持飛機(jī)位置計(jì)算，自動(dòng)設(shè)置 ILS/GLS 進(jìn)近等。
C. 水平和垂直導(dǎo)引
FMS 可計(jì)算用于導(dǎo)引當(dāng)前水平飛行計(jì)劃的滾轉(zhuǎn)角目標(biāo)值，計(jì)算用于導(dǎo)引當(dāng)前垂直飛行計(jì)劃的高度目標(biāo)、速度目標(biāo)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力目標(biāo)等。
FMS 通過(guò)與自動(dòng)飛行系統(tǒng)交聯(lián)，在飛機(jī)飛行過(guò)程中實(shí)施水平和垂直導(dǎo)引，引導(dǎo)飛機(jī)按照預(yù)定的高度、航向和速度飛行。
D. 性能計(jì)算和軌跡預(yù)測(cè)
FMS 可結(jié)合當(dāng)前和備用飛行計(jì)劃，使用性能數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算飛機(jī)性能參數(shù)。包括最優(yōu)高度、爬升/巡航/下降最優(yōu)速度、起飛和著陸參考速度等。
FMS 可以根據(jù)飛行計(jì)劃提供的基本航路信息，在水平方向上進(jìn)行軌跡計(jì)算。計(jì)算飛行計(jì)劃每個(gè)航路點(diǎn)的實(shí)際軌跡數(shù)據(jù)，主要包括航段間過(guò)渡、轉(zhuǎn)彎速度、轉(zhuǎn)彎半徑、完整水平軌跡的建立等。
在飛行計(jì)劃和水平軌跡的基礎(chǔ)上，利用性能數(shù)據(jù)庫(kù)中的性能數(shù)據(jù)，對(duì)起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近等階段，進(jìn)行垂直方向上的軌跡計(jì)算，優(yōu)化垂直飛行剖面。主要包括各航段的最優(yōu)高度、最優(yōu)速度、爬升/下降頂點(diǎn)等。
03 傳統(tǒng) FMS的主要組成
傳統(tǒng)的飛行管理系統(tǒng)，包括飛管計(jì)算機(jī) FMC（Flight Management Computer）和控制顯示組件 CDU（Control & Display Unit）。
FMS 通常為兩余度設(shè)計(jì)，其 CDU 安裝在中央操縱臺(tái)上，分別提供給主駕和副駕使用。下圖是空客 A320 駕駛艙安裝示意。
A. 飛管計(jì)算機(jī) FMC
FMC 中運(yùn)行著飛管軟件，以實(shí)現(xiàn)飛行管理的各項(xiàng)功能。同時(shí) FMC 也包含了導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)和性能數(shù)據(jù)庫(kù)。
導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)，是 FMS 所特有的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能的關(guān)鍵。
導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)包含了飛機(jī)從起飛到著陸，整個(gè)區(qū)域的導(dǎo)航信息。包括飛行區(qū)域的機(jī)場(chǎng)信息（機(jī)場(chǎng)位置/標(biāo)高、跑道方位/長(zhǎng)度等）、航路信息（航路類型、高度、航向、航段距離、航路點(diǎn)說(shuō)明等）、導(dǎo)航臺(tái)（位置、頻率、標(biāo)高等）、終端區(qū)域程序（轉(zhuǎn)彎、等待、復(fù)飛、進(jìn)近）等。
導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，可用于確定飛機(jī)位置，進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算及導(dǎo)航臺(tái)自動(dòng)調(diào)諧管理，從而正確完成從出發(fā)機(jī)場(chǎng)到目的機(jī)場(chǎng)的導(dǎo)航任務(wù)。
性能數(shù)據(jù)庫(kù)，是用于飛機(jī)垂直導(dǎo)航進(jìn)行性能優(yōu)化計(jì)算，所需的數(shù)據(jù)，一般與飛機(jī)氣動(dòng)外形和發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。
性能數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括飛機(jī)氣動(dòng)模型信息（機(jī)翼面積、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、飛行包線、升力特性曲線、飛機(jī)極曲線、各類重量信息等）、發(fā)動(dòng)機(jī)信息（燃油消耗特性曲線、各狀態(tài)點(diǎn)推力曲線等）、大氣和風(fēng)等環(huán)境數(shù)據(jù)。
在輸入的飛行計(jì)劃和這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)MC 接收來(lái)自大氣數(shù)據(jù)、慣性參考等系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行位置計(jì)算，接收襟縫翼位置、起落架輪載、燃油量、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等信息完成性能計(jì)算和軌跡預(yù)測(cè)。
B. 控制顯示組件 CDU
CDU 提供了飛行員與飛管計(jì)算機(jī)之間交互的接口，不同飛機(jī)制造商對(duì)其叫法不同。
例如空客 A320 飛機(jī)就稱其為 MCDU （多功能控制顯示組件，Multi-functional Control & Display Unit）。
CDU 面板主要包括顯示屏、行選鍵、功能方式鍵、字母數(shù)字鍵等。飛行員可以通過(guò)操作 CDU，進(jìn)入飛行計(jì)劃、無(wú)線電導(dǎo)航等頁(yè)面，輸入飛行計(jì)劃和基本性能參數(shù)。
下圖是空客 A320 的 MCDU。
下圖是波音 777 的 CDU。1 是 CDU 顯示頁(yè)面；2 是行選鍵；3-6是指示燈及明亮度控制鍵。
04 現(xiàn)代 FMS的主要組成
與傳統(tǒng)的飛管系統(tǒng)相比，現(xiàn)代民機(jī)飛管系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)的功能大同小異，但隨著綜合模塊化航空電子（IMA，Integrated Modular Avionics）的快速發(fā)展，出于飛機(jī)集成與綜合的考慮，F(xiàn)MS 的物理組成也有所不同。
特點(diǎn)一：操作顯示，集成在顯示系統(tǒng)
A. 空客 A380
A380 不再使用傳統(tǒng)的 MCDU，而是采用 CDS（Control and Display System，控制和顯示系統(tǒng)）、KCCU（Keyboard and Cursor Control Unit，鍵盤鼠標(biāo)控制單元），作為人機(jī)交互的接口。
A380 有兩套 FMS，分別給主駕和副駕使用。但 A380 配置了三臺(tái)飛管計(jì)算機(jī) FMC，掛接在航電全雙工交換式以太網(wǎng) AFDX 上 (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)。
FMS1 連接 FMC-A，F(xiàn)MS2 連接 FMC-B。當(dāng) FMC-A 和/或 FMC-B 失效后，F(xiàn)MC-C 可作為這兩臺(tái)飛管計(jì)算機(jī)的備份。
B. 波音 787
與空客 A380 類似，787 的 MFD 可通過(guò)圖形化界面，顯示傳統(tǒng) CDU 的內(nèi)容。同時(shí)增加了兩個(gè)多功能鍵盤 MFK（Multifunction Keypad），供主副駕駛使用。
下圖是波音 787 與 777 駕駛艙顯示系統(tǒng)和 CDU 的對(duì)比。
下圖是波音 787 的 MFK。1 是 CDU 圖形化顯示開關(guān)；2 是上一頁(yè)/下一頁(yè)鍵；3/4 是執(zhí)行燈和執(zhí)行鍵。
C. 中國(guó)商飛 C919
與空客 A380 類似，C919 也不采用傳統(tǒng)的 CDU 形式，而是通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤提供操作輸入，通過(guò)顯示系統(tǒng)提供操作頁(yè)面顯示。
特點(diǎn)二：FMS軟件，駐留在公共平臺(tái)
現(xiàn)代民機(jī)航電核心系統(tǒng)，一種公共處理器可以宿主多個(gè)應(yīng)用軟件，因此可大大減少了航電設(shè)計(jì)所需要的模塊數(shù)量。
A. 波音 787
787 的飛管軟件，就駐留在公共核心系統(tǒng)CCS（Common Core System）中。CCS 是一個(gè)高完整性的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（A664 網(wǎng)絡(luò)），同時(shí)為駐留的其他系統(tǒng)軟件提供了高完整性計(jì)算資源。
CCS 通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器 RDC（Remote Data Concentrators），與機(jī)上其他 LRU 交聯(lián)。
B. 中國(guó)商飛 C919
與波音 787 類似，C919 也不再配備專門的飛管計(jì)算機(jī)，而是將軟件駐留在航電核心處理平臺(tái)中，通過(guò) A664 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信和控制。
05 飛行中,FMS扮演什么角色？
A. 起飛前（Before Take Off）
飛行員通過(guò) FMS 接口輸入飛行計(jì)劃，包括起飛機(jī)場(chǎng)、離場(chǎng)程序、航路點(diǎn)、進(jìn)場(chǎng)程序、目的機(jī)場(chǎng)等，F(xiàn)MS 計(jì)算飛行路徑。
飛行員通過(guò) FMS 接口輸入飛機(jī)重量、巡航高度、燃油量、環(huán)境溫度等性能數(shù)據(jù)，F(xiàn)MS 計(jì)算最佳起飛推力和飛機(jī)飛行的垂直剖面。
B. 爬升階段（Climb）
爬升階段一般指從起飛安全高度到巡航高度。當(dāng)飛行高度 400ft，飛行員接通橫向?qū)Ш剑↙-NAV）和垂直導(dǎo)航（V-NAV），F(xiàn)MS 實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的水平和垂直導(dǎo)航。
FMS 根據(jù)飛行員選擇的目標(biāo)推力和目標(biāo)速度，計(jì)算最佳爬升剖面（爬升角度和爬升速度），并給出分段爬升和爬升頂點(diǎn)高度的建議。
C. 巡航階段（Cruise）
FMS 計(jì)算最佳巡航速度和高度，兩機(jī)場(chǎng)之間采用大圓航線的路徑飛行。
注：大圓航線在地球上的投影看似曲線，但相比地球投影是直線的航線，實(shí)際飛行距離更短。
D. 下降階段（Descend）
下降階段一般指從巡航高度到進(jìn)場(chǎng)高度。FMS 會(huì)根據(jù)飛行員輸入和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)，確定飛機(jī)開始下降的頂點(diǎn)，并計(jì)算下降速度，最大限度地利用飛機(jī)高度勢(shì)能，從而節(jié)省燃油。
E. 進(jìn)近階段（Approach）
進(jìn)近階段一般指從進(jìn)場(chǎng)高度到著陸安全高度。FMS 會(huì)計(jì)算最優(yōu)速度，引導(dǎo)飛機(jī)到跑道入口和著陸點(diǎn)。
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