某型飛機飛管計算機飛行計劃軌線計算和分析

嚴淑芹

摘 ? 要：某型飛機上的飛管計算機的其中一個功能是通過使用飛行員給定的航線、環(huán)境、和飛機性能參數(shù)來構(gòu)建精確的從起始機場到目的機場的三維飛行軌道。這個計算得出的飛行軌道是關(guān)于飛機在垂直空間內(nèi)怎樣飛橫向路徑的復雜預測。垂直空間受巡航高度和航路點高度以及速度限制這三個因素影響。因為飛管計算機計算出的飛行剖面圖是作飛行計劃、空管局作匯報的基礎(chǔ)，最重要的是，飛行剖面圖還是真實的飛機控制的基礎(chǔ)，所以，航空公司和空中交通保障人員要求可以容易地檢查和分析各種各樣的航線的飛行剖面圖。這篇論文進行了兩方面陳述，一是飛管計算機怎樣進行飛行剖面的構(gòu)建，二是基于PC機的Windows環(huán)境下的軟件程序，這個軟件程序用于幫助策劃和分析航線和步驟，航線和步驟是飛機在自動飛管計算機控制下必須飛行的航線和步驟。

關(guān)鍵詞：飛行管理 ?飛行剖面 ?橫向路徑 ?豎向路徑 ?飛管計算機

中圖分類號：TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0006-04

飛管計算機執(zhí)行各種復雜的功能，這些功能可以降低航空公司運營費用，提高安全性，并減少飛行員的工作量。這些功能包括

（1）計算最理想的燃油/時間比下的飛行剖面圖并準確預測飛行軌道。

（2）通過使用各種各樣的飛機導航傳感器執(zhí)行精確的側(cè)向和豎向?qū)Ш?，各種各樣的飛機導航傳感器比如GPS， IRS系統(tǒng)。

（3）當與飛機自動駕駛和自動油門系統(tǒng)耦合時在每個飛行階段執(zhí)行側(cè)向和豎向的引導。

（4）促進空/地通過ACARS網(wǎng)絡(luò)進行通訊。

這篇論文的目的是雙面性的。第一，描述飛管計算機如何計算和預測最優(yōu)的三維飛行剖面圖，為什么這個飛行剖面圖在飛機運行時很關(guān)鍵。第二，介紹PC機為宿主的Windows環(huán)境下的軟件程序，這個程序咱們叫它步驟設(shè)計工具。步驟設(shè)計工具可以讓使用者根據(jù)飛管計算機將怎樣飛步驟和航線來設(shè)計、分析、并測試步驟和航線。這個工具是怎樣做到的呢？它通過把導航數(shù)據(jù)庫加載器、航線編輯器、性能模型編輯器、橫向豎向飛行路線繪圖器和實際飛管計算機飛行計劃預測軟件合并到用戶體驗很友好的Windows環(huán)境下。

1 ?飛管計算機飛行剖面

1.1 飛管計算機航線

飛管計算機飛行剖面的核心是飛行員輸入的或者ACARS上行鏈路的航線數(shù)據(jù)，這個航線就是飛機飛離起始機場到到達目的機場的航線。這個航線可以由飛行員在任意時間修改，該航線由起始機場和跑道、標準儀器離場步驟、航路點和空中航線、標準進近步驟、跑道進近步驟、以及目標跑道組成。這些信息大部分可以從導航數(shù)據(jù)庫磁盤里提取出來，導航數(shù)據(jù)庫磁盤是加載到飛管計算機上的，它包含的信息與空中航線圖表、終端區(qū)域圖表包含的信息一模一樣。飛管計算機飛行計劃里的航路點可以是地理上固定的（即經(jīng)緯度固定），也可以是浮動的。浮動的航路點通常是計算出來的步驟航段終點，也因此該浮動航路點的實際的經(jīng)緯度通常是關(guān)于風和飛機性能的函數(shù)。

1.2 飛管計算機性能模型

只給出航線數(shù)據(jù)，是不可能準確確定飛機沿著指定航線從起始機場到目的機場的三維飛行路線的，需要的額外信息是飛機性能模型和飛機環(huán)境模型。橫向路徑和豎向路徑都是基于飛機空氣動力學特征、重量、速度、引擎推力、燃油燃燒率、空氣溫度和壓力、風、還有其他很多難以捉摸的條目等等參數(shù)的函數(shù)。其他很多難以捉摸的條目如自動駕駛/自動油門控制極限。

飛管計算機性能模型包括以下條目。

（1）737-300，-400和-500機體空氣動力學特征的數(shù)字化模型，包括阻力數(shù)據(jù)和抖振速度數(shù)據(jù);

（2）每個飛行階段和可在上述機體上安裝的引擎的每種類型對應的數(shù)字化的N1極限、推力、燃油流動模型;

（3）飛機毛重（沒有燃油時的飛機重量+燃油重量）;

（4）飛行員輸入的或者航線指定的巡航高度;

（5）在爬升階段飛行員選擇的固定的推力減免;

（6）離場機場速度限制和目的機場速度限制。機場速度限制是適用于特定高度下的一般的速度限制。在美國，典型的情況是10000英尺下250海里;

（7）飛機爬升、巡航、下降階段的速度計劃表的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)支持下述可由飛行員選擇的性能模式：

①經(jīng)濟爬升、巡航和下降模式：最經(jīng)濟的爬升、巡航和下降速度計劃表基于飛行員輸入的成本指數(shù)。（成本指數(shù)是使得運營商直接的每時的運營費用與燃油費用有關(guān)的一個數(shù)字）

②飛行員輸入的速度模式：飛機爬升、巡航、下降階段的速度計劃表由飛行員指定。

③必需的到達時間爬升、巡航和下降模式：速度計劃表是飛管計算機計算出來的以滿足在選定的飛行計劃航路點處空管局指定的必需到達時間

④最大爬升率模式：爬升速度計劃表會產(chǎn)生一個最大爬升率，這會產(chǎn)生最少爬升時間

⑤最大爬升角度模式：爬升速度計劃表會產(chǎn)生最大爬升角度，這會產(chǎn)生最短爬升距離

⑥長巡航航程模式：巡航速度計劃表產(chǎn)生巡航航程，等于最大巡航航程的99%。

⑦引擎失靈狀態(tài)下爬升和巡航模式：推薦的爬升和巡航速度基于單個引擎運行。

（8）一組飛管計算機目標速度限制性參數(shù)，最值得注意的是機動限度，機動限度定義了相對抖振界限（絕對抖振界限是加了安全界限的），相對抖振界限限制了飛管計算機目標速度以確保在低速和高速時足夠的機動性。特別地，機動限度代表在直線飛行階段允許的最小的升重比。其他速度限制性參數(shù)包括經(jīng)濟爬升、巡航和下降狀態(tài)下最小速率最大速率，爬升階段最小爬升率，巡航階段最小爬升率，最小爬升率這個參數(shù)確保了垂直機動狀態(tài)下足夠的推力。

1.3 飛管計算機環(huán)境模型

飛管計算機環(huán)境模型包括下述條目：

（1）所有運行高度的標準日間溫度模型以及當時高度下的實際溫度;

（2）每個飛行階段飛行員輸入的溫度與日間溫度的偏差;

（3）飛行員輸入的下降高度段，在這個高度段里將應用引擎除冰功能;

（4）爬升階段傳感器感知到的大氣壓力，下降階段飛行員輸入的大氣壓力，與標準日間溫度的誤差是計算飛行軌道要考慮的因素;

（5）由傳感器感知的當前高度下實際的風和飛行員輸入的巡航高度下估計的風，這兩個風構(gòu)成的兩點爬升風模型;

（6）基于實際的風（當飛機處于巡航高度時）和飛行員輸入的順流而下的巡航航路點的預測的風的巡航風模型;

（7）五點下降風模型，由這五點組成：巡航高度處的風（或者飛機處于下降階段時當前高度下的實際風），多達三對飛行員輸入的風/高度數(shù)據(jù)對，還有一個假設(shè)的跑道海拔高度下的零點風。

1.4 飛管計算機的橫向路徑的建立

給出航線、飛機性能模型、環(huán)境模型，那飛管計算機就能準確計算出三維飛行軌道。我們可以將飛行軌道分解成兩部分——橫向路徑（從高處往下看的飛行剖面）和豎向路徑（從側(cè)面看到的飛行剖面）。橫向路徑和豎向路徑是相互依賴的。

橫向路徑由步驟航段、航路點、保持模式等等要素組成。根據(jù)飛機應該怎樣飛轉(zhuǎn)彎處和航路點，飛管計算機會計算出這些轉(zhuǎn)彎處和航路點。整個橫向路徑依照直行段和轉(zhuǎn)彎段來定義，這些直行段或者轉(zhuǎn)彎段可以開始或結(jié)束于固定地理點，也可以在浮動地理點。計算這些航線段很具有挑戰(zhàn)性因為轉(zhuǎn)彎的幾何形狀和若干航段終點是基于預測的飛機速度、風、還有高度的函數(shù)，這些參數(shù)反過來又是基于橫向路徑的函數(shù)。舉個例子，一段從固定點到某高度航段的航程，通常包括在離場步驟里，這段航程詳細說明了飛機轉(zhuǎn)彎到一個給定的航程，飛過那個航程直到達到指定高度，然后再轉(zhuǎn)到另一個航段。為了建立這個航段的橫向路徑，飛管計算機必須構(gòu)建三段橫向段：最初始轉(zhuǎn)到這個航段的那個彎，直飛的那段航段（距離等于達到指定高度要經(jīng)歷的距離），最終要轉(zhuǎn)到下一個航段的那個彎。這些航段的幾何圖形與飛機性能和環(huán)境條件直接關(guān)聯(lián)。

橫向轉(zhuǎn)彎的建立取決于轉(zhuǎn)彎時所需路徑的改變以及預測的飛機地速。如果在轉(zhuǎn)彎時所需路徑改變的狀況下飛機所需的最大地速是已知的，那這個轉(zhuǎn)彎段可以由下面這個公式計算。

Turn Radius （ft）=（GS2）/（g·tan?），

Turn Arclength（ft）= ΔCourse·Turn Radius

GS=The maximum aircraft ground speed during the turn

g=acceleration due to gravity

?=required nominal aircraft bank angle during the turn.

為了確定飛機轉(zhuǎn)彎時最大地速，飛管計算機必須估算轉(zhuǎn)彎發(fā)生時的高度，然后估算飛機的目標速度，再然后估算該高度下的風。所需的轉(zhuǎn)彎角度是關(guān)于所需的角范圍（也就是航段改變）和飛機最大地速的函數(shù)。

構(gòu)建好的橫向路徑非常重要因為飛管計算機將精確地控制飛機按照這個路徑飛行，飛管計算機會監(jiān)控跨航跡的錯誤并酌情給自動飛行發(fā)出滾轉(zhuǎn)命令。

1.5 飛管計算機的豎向路徑的建立

飛管計算機沿著橫向路徑計算的豎向飛行剖面分成三個飛行階段：爬升、巡航、降落。

1.5.1 爬升階段

爬升階段的豎向路徑，非常典型地由下圖中的航段組成。除了這些爬升段，也有高度趨于平穩(wěn)的航段，這是因為在爬升航路點有高度限制，還有目標速度加速度航段，這是因為在爬升航路點有速度限制。

爬升軌道經(jīng)由很多小的基于時間的積分步驟來預測的。在每個小的積分步驟里，飛管計算機計算飛機的垂直速度，沿程速度，沿程距離，高度改變值和燃油燃燒值，這些值的計算是基于預定的飛機目標速度、風、阻力、和引擎推力的。

明確地說，一個小的爬升積分步驟里的垂直速度由下面的公式計算得到。

其中，T為平均推力（lbs），D為平均阻力（lbs），GW為飛機毛重（lbs），Tact為周邊溫度（K），Tstd為標準日間溫度（K），g=32.174 ft/sec2，Vtrue為真空速（ft/sec），dVg為地速的微分，dh為高度的微分。

預定的飛機真實空速源自飛行員選擇的爬升速度計劃表和適用的機場或航路點相關(guān)的速度限制。阻力是用飛機構(gòu)型、速度、轉(zhuǎn)彎角度算出來的。推力和燃料流量是用活躍的引擎功率設(shè)定算出來的（這個功率設(shè)定反過來又是N1極限模式的函數(shù)）。

加速度段是根據(jù)自動飛行最小垂直速度極限和自動油門加速度極限計算出來的。

1.5.2 巡航階段

沿著橫向路徑計算的巡航階段的豎向路徑非常簡單。典型情況下，它由加速度或者負向加速度組成，加速度是爬升速度加速到巡航速度的加速度，負向加速度是減速到降落最高點的負向加速度，整個巡航階段的豎向路徑是在巡航高度處經(jīng)由基于時間的積分小步驟預測出來的，在每一個積分小步驟處，飛管計算機會根據(jù)預定的飛機目標速度、風、阻力、引擎推力來計算沿程速度、沿程距離、和燃油燃燒量。

預定的飛機真空速衍生自飛行員選擇的巡航速度計劃表以及適用的機場相關(guān)速度限制。阻力是飛機速度和轉(zhuǎn)彎角度的函數(shù)。對于水平飛行，推力必須等于阻力。在給出所需推力的情況下，可以計算出引擎功率設(shè)定（%N1）這個數(shù)值將是計算燃油流量的基礎(chǔ)。

1.5.3 巡航階段

降落路徑是從目的機場開始往后推算的路徑，從目的機場開始經(jīng)由很多小的積分步驟到巡航高度，來預測這個降落路徑，一般的降落階段豎向路徑的構(gòu)建理念是讓飛機盡可能長時間地保持在高處，并在適當?shù)臅r候空轉(zhuǎn)發(fā)動機推力。這個理念使得燃油利用率最大化但是需要降落階段的最高點的位置非常準確。

1.5.4 豎向剖面總結(jié)

飛行計劃的每個航路點處預測的飛機垂直狀態(tài)，每個重要的垂直點處飛機垂直狀態(tài)，都在飛管計算機里計算并存儲。重要的垂直點有爬升階段的最高點，降落階段的最高點，速度改變高度，姿態(tài)改變時的高度。預測出來的飛機垂直狀態(tài)很重要因為：

（1）它將顯示給飛行員并讓飛行員對航線剖面的潛在問題有所警覺，比如橫向路徑的旁路和非連續(xù)點，陡峭的豎向航段;

（2）它將報給空管局以做飛行計劃和監(jiān)視用途;

（3）預測的降落路徑是控制飛機從巡航高度飛到目的機場跑道的基礎(chǔ)。計算出來的最高降落點會建議飛行員什么時候開始降落。當飛機處于飛管計算機航線降落垂直導航模式時，飛管計算機會通過監(jiān)控航線的垂直偏差給自動飛行發(fā)送垂直速度命令來真實地控制飛機飛到計算好的降落航線。

2 ?飛行步驟設(shè)計工具

步驟設(shè)計工具是基于PC機的Windows環(huán)境下的軟件程序，航空公司可以用，導航數(shù)據(jù)庫供應商能用，飛行步驟設(shè)計專員和空管局都能使用。使用這個軟件可以分析、設(shè)計、測試終端區(qū)域飛行步驟和飛管計算機系統(tǒng)使用的同伴的航線。

明確地說，飛行步驟設(shè)計工具有以下功能：

（1）測試和編輯已經(jīng)存在的飛行步驟和航線數(shù)據(jù)，這些飛行步驟和航線數(shù)據(jù)包括在已經(jīng)被加載過的導航數(shù)據(jù)庫里。加載到飛行步驟設(shè)計工具里的導航數(shù)據(jù)庫磁盤正是加載到飛管計算機磁盤。

（2）創(chuàng)建、編輯新的飛行步驟和航線。

（3）驗證已存在的或經(jīng)過修改的或新創(chuàng)建的飛行步驟和航線是否符合ARINC424和飛管計算機系統(tǒng)規(guī)章。

（4）新建并維持多個補充的導航數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫包含新建的或修改的飛行步驟和航線數(shù)據(jù)。

（5）將選好的飛行步驟和航線數(shù)據(jù)以格式化的報告打印出來。

（6）通過使用選擇好的飛管計算機性能模型計算選定好的航線的橫向剖面和豎向剖面，然后清晰詳細地畫出并打印出橫向路徑和豎向路徑。

飛行步驟設(shè)計工具是真實的Windows程序，可通過Windows的程序管理器進入，包含Windows環(huán)境下的所有便利操作，比如鼠標控制，圖標表示，菜單選擇，可變屏幕大小，等等。飛行步驟設(shè)計工具是在微軟Visual C++環(huán)境下執(zhí)行的多文檔多視圖的程序，主要由以下4個組件組成。

①導航數(shù)據(jù)庫飛行步驟編輯器（用于新建/編輯航路點、標準儀器離場程序、標準進近程序和進近程序）。

②導航數(shù)據(jù)庫航線編輯器（用于把飛行步驟合并到完整的航線里去）。

③飛機性能模型和環(huán)境模型編輯器（僅適用于737-300，-400，-500）。

④橫向豎向飛行剖面圖繪圖器。

2.1 飛行步驟編輯器

使用飛行步驟設(shè)計工具的飛行步驟編輯器窗口，導航數(shù)據(jù)庫的飛行步驟和航路點可以檢查、編輯、新建、保存、打印，導航數(shù)據(jù)庫的飛行步驟也即是標準儀器離場程序、標準進近程序、進近程序。這些檢查、編輯、新建、保存、打印功能是通過菜單欄、工具欄、各種各樣的對話框、列表框、和命令按鈕來實現(xiàn)的。用戶可以將任意飛管計算機導航數(shù)據(jù)庫磁盤加載到飛行步驟設(shè)計工具里面，并在那里顯示出來。顯示出來的飛行步驟數(shù)據(jù)可以修改并保存到另一個導航數(shù)據(jù)庫文件里，用戶還可以自定義文件名。飛行步驟設(shè)計工具可以撤銷這個文件但是并不影響導航數(shù)據(jù)庫輸入磁盤的數(shù)據(jù)。類似地，使用數(shù)據(jù)（航路點等等數(shù)據(jù)）不管是從導航數(shù)據(jù)庫加載過來的還是手動新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，新創(chuàng)建的飛行步驟可以構(gòu)建起來，可以保存、打印。

2.2 航線編輯器

使用飛行步驟設(shè)計工具的航線編輯器窗口，導航數(shù)據(jù)庫公司的航線可以檢查、編輯、新建、保存和打印，適用的ARINC424和飛管計算機系統(tǒng)規(guī)章應用在航線編輯過程和航線編輯完成之后。

簡單地點一下工具欄上的畫圖按鈕，就可以畫出航線的豎向或橫向剖面。我們要畫的航線，它必須包含離場機場、目標機場還有至少一個航路點。單獨的飛行步驟比如標準儀器離場程序、標準進近程序，是畫不出來的。（它們必須包含在航線里然后才能畫出來）

2.3 性能模型編輯器

為了預測特定航線必須指定起支配作用的性能模型。性能模型由很多條目組成包括機體/引擎構(gòu)型、速度計劃表模式、環(huán)境模型等等。

使用飛行步驟設(shè)計工具的性能模型編輯器窗口，性能模型可以檢查、新建和編輯。定制化的性能模型可以像文件一樣保存起來，之后可以被選定以預測和畫出飛行軌道的橫向和豎向圖。為了簡化工作量，性能模型編輯器只允許完整性能模型的子集屬性被具體規(guī)定（對預測飛機飛行軌道有較小影響的條目都將設(shè)置成默認值）。

2.4 飛行剖面圖繪圖器

使用航線繪圖器窗口，對已選好的航線進行預測的橫向路徑和豎向路徑就能畫出并打印出來。計算出來的飛行軌道基于性能模型，而性能模型由用戶自己指定。用戶可以放大圖的任何地方，查看周圍航路點和導航輔助設(shè)備，還可以獲得表格格式的飛行軌道信息。另外，還可以畫出燃油與時間關(guān)系的圖，燃油與距離關(guān)系的圖。飛行步驟設(shè)計工具實際上使用了飛管計算機的ADA軟件，這個軟件重新宿主到PC機上以方便飛行步驟設(shè)計工具使用。這確保了飛行步驟設(shè)計工具計算出來的顯示出來的飛行軌道與飛機在飛管計算機導航控制下飛行的軌道一致。

2.5 飛行步驟設(shè)計工具的潛在使用者

飛行步驟設(shè)計工具真的是姍姍來遲。下述人員可以立即從中受益：

（1）終端區(qū)域飛行步驟的設(shè)計人員。很多年來，飛行步驟設(shè)計人員在新建、修改終端區(qū)域飛行步驟時不得不讓飛管計算機供應商參與進來。當前，設(shè)計人員使用量角器、圓規(guī)、尺子和工程圖紙，手動畫出他建議的飛行步驟然后提交給飛管計算機供應商以查看飛管計算機能否飛行這個步驟，然后飛管計算機供應商用實驗室設(shè)備來測試這個新步驟然后將問題反饋給設(shè)計人員。在實際操作中，這個過程會反反復復重復直到新的飛行步驟能用。使用飛行步驟設(shè)計工具的話，設(shè)計人員可以扔掉量角器、圓規(guī)，大大降低對飛管計算機供應商的依賴性。

（2）航空公司。航空公司可以有好幾種方式來使用飛行步驟設(shè)計工具。使用導航數(shù)據(jù)庫已發(fā)布的終端區(qū)域飛行步驟和導航輔助設(shè)備，航空公司可以開發(fā)自己公司定制的航線以最小化燃油消耗并最優(yōu)利用區(qū)域內(nèi)的導航輔助設(shè)備。飛行員可以通過飛行步驟設(shè)計工具來熟悉自己將要飛行的航線，可以提前讓他們提防潛在的問題并留意另外的可選的航線。

（3）飛管計算機產(chǎn)品支持人員和工程人員。無論是在未來的飛管計算機工程開發(fā)方面還是在當前的現(xiàn)場產(chǎn)品支持方面，飛管計算機供應商都可以使用飛行步驟設(shè)計工具來改善他的服務(wù)。飛行步驟設(shè)計工具可用于飛管計算機軟件測試，日常的導航數(shù)據(jù)庫的測試，問題報告調(diào)查，這代替了昂貴的飛管計算機還有飛機仿真實驗室設(shè)備。

FAA和CAA等監(jiān)管機構(gòu)。FAA和CAA這些監(jiān)管機構(gòu)可以使用飛行步驟設(shè)計工具來檢查某型飛機要飛的步驟。使用飛行步驟設(shè)計工具，可以對與該飛行步驟相關(guān)聯(lián)的航線進行分析，這個分析是關(guān)于地形、噪音敏感區(qū)域、障礙物和相鄰航線的。

3 ?結(jié)語

為了在自動操作終端區(qū)域飛行環(huán)境下使飛管計算機達到最佳運作效果，終端區(qū)域飛行步驟的設(shè)計與飛管計算機之間的協(xié)作很有必要進行改善。飛行步驟設(shè)計人員不能簡單地對形成飛行軌道的所有元素進行負責。這個軟件可以讓用戶很容易地新建和編輯導航數(shù)據(jù)庫飛行步驟和航線并在辦公室實際測試飛行中的操作。

參考文獻

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