第1章緒論
　　1.1民航飛機電子系統(tǒng)概述
　　本書中，“民航飛機電子系統(tǒng)”是指飛機上所有依賴電子技術(shù)工作的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是民用飛機的重要組成部分，是飛行員獲取飛行、導航及控制信息，支持飛機安全飛行的關鍵系統(tǒng)，在保障飛機性能和實現(xiàn)飛行更安全、更舒適、更環(huán)保、更高效和更經(jīng)濟方面發(fā)揮著日益重要的決定性作用。
　　本書的目的是讓讀者對民用航空電子技術(shù)有一個清晰而全面的認識。航空電子在科學研究領域可以認為是一門學科，在應用技術(shù)領域可以認為是有特定用途的設備或系統(tǒng)。這些設備或系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)顯示、飛機的導航、通信、飛行控制以及飛機飛行航跡的自動控制，它還控制飛機上的許多管理功能：燃油、液壓、環(huán)境和其他對飛機安全飛行和機上乘客舒適性至關重要的系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)代飛機電子系統(tǒng)在執(zhí)行飛行任務中的作用，可以將民航飛機的電子系統(tǒng)表示成以飛行管理計算機系統(tǒng)為核心的七大子系統(tǒng)。圖1.1所示交聯(lián)它們之間的結(jié)構(gòu)圖以及交聯(lián)關系。
　　圖1.1民航飛機七大電子系統(tǒng)
　　1.1.1傳感器及儀表系統(tǒng)
　　在飛機上，要實現(xiàn)對各類參數(shù)（如發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)、飛行參數(shù)及其他系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)）的檢測與控制，首先需要把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于傳送的信息，這就需要用到傳感器。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件（或感受元件）和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的信號（通常為電信號）。如將傳感器與指示器或顯示器組合在一起，直接將測量結(jié)果指示或顯示出來，就構(gòu)成儀表。若將傳感器作為其他機載系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)或輸入環(huán)節(jié)，那么它與其他裝置就組成一個檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　飛機上需要測得參數(shù)比較多，涉及的傳感器及其構(gòu)成的儀表也很多，主要有發(fā)動機儀表系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、姿態(tài)儀表系統(tǒng)和航向儀表系統(tǒng)。
　　1.發(fā)動機儀表系統(tǒng)
　　發(fā)動機是飛機的動力裝置，為了實現(xiàn)對發(fā)動機工作狀態(tài)的全面了解和控制，需要使用各種傳感器對發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)進行測量，如壓力傳感器測量發(fā)動機燃油壓力、滑油壓力，溫度傳感器測量滑油溫度、噴氣溫度等，轉(zhuǎn)速傳感器測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等。測得的發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和處理裝置送到相應的指示或顯示裝置，便于飛行員在飛行過程中對發(fā)動機狀態(tài)進行監(jiān)控。
　　2.大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)
　　準確提供飛行控制和導航所必需的大氣數(shù)據(jù)參量，如高度、指示空速、真空速、升降速度、馬赫數(shù)以及迎角等信息。系統(tǒng)通過高精度的傳感器測量得到靜壓、全壓、總溫等，并經(jīng)過相應的轉(zhuǎn)換和處理系統(tǒng)得到大氣數(shù)據(jù)參量。依據(jù)轉(zhuǎn)換和處理方式的不同，可分為機械式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和電動式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
　　3.姿態(tài)儀表系統(tǒng)
　　飛機的姿態(tài)信息是飛行所必需的，特別是在云中、夜間等低能見度的條件下執(zhí)行飛行任務時尤為重要。許多機載電子系統(tǒng)，如自動駕駛儀和導航系統(tǒng)都需要精確的姿態(tài)信息。姿態(tài)儀表系統(tǒng)利用陀螺儀測量飛機的俯仰角和傾斜角，并向飛行人員指示駕駛所需要的傾斜角、俯仰角。盡管在20世紀70年代出現(xiàn)了慣性傳感器系統(tǒng)，但現(xiàn)代飛機上仍有備用的地平儀。
　　4.航向儀表系統(tǒng)
　　航向是飛行中的一個重要導航信息。航向儀表系統(tǒng)利用各種儀表羅盤和無線電羅盤測量飛機的航向或方位角，同時也為其他機載電子系統(tǒng)提供各種航向基準和航向誤差信號。
　　1.1.2無線電通信系統(tǒng)
　　通信系統(tǒng)在飛機完成飛行任務的過程中發(fā)揮著重要作用，地面基站與飛機之間以及飛機與飛機之間可靠的雙向通信是必不可少的。在1909年飛機上就已安裝了無線電發(fā)射和接收裝置，這是第一代機載電子裝備�，F(xiàn)代飛機上的無線電通信裝置非常復雜，并且包含了多個工作頻率波段。如用于近程通信的飛機無線電甚高頻通信系統(tǒng)（VHF，工作頻段為118.000～135.975MHz），用于遠程通信的飛機無線電高頻通信系統(tǒng)（HF，工作頻段為2～30MHz）�，F(xiàn)代民航除了語音通信外，還有數(shù)據(jù)通信，航空公司越來越依賴于向飛行中的飛機提供信息和接收飛機信息。從1978年起航空公司開始應用VHF數(shù)據(jù)鏈(VDL)，到現(xiàn)在地空數(shù)據(jù)鏈已成為航空公司運營的主要技術(shù)手段。VHF數(shù)據(jù)鏈、HF數(shù)據(jù)鏈(HFDL)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈應運而生。ICAO已經(jīng)為衛(wèi)星通信、VDL和HFDL空地子網(wǎng)絡制定了十分詳細的ICAOSARP文件。
　　1.1.3導航系統(tǒng)
　　導航是一種為運載體航行時提供連續(xù)、安全和可靠服務的技術(shù)。顧名思義，它的基本作用是引導飛機、車輛等運載體及個人，安全準確地沿著所選定的路線，準時地到達目的地。
　　導航由導航系統(tǒng)完成。任何導航系統(tǒng)中都包括有裝在運載體上的設備，飛行員或自動駕駛儀根據(jù)導航設備的儀表指示或輸出的信號，在任何環(huán)境中，操縱運載體正確地向目的地前進。這種指示或信號的內(nèi)容稱為導航信息。如果裝在運載體上的設備可單獨產(chǎn)生導航信息，便稱它為自主式或自備式導航系統(tǒng)。如果除了裝在運載體上的導航設備之外，還需有設在其他地方的一套設備與之配合工作，才能產(chǎn)生導航信息，則稱為非自主式或它備式導航系統(tǒng)，其中，裝在運載體上的設備稱為機載、車載導航設備，而設在其他地方的設備稱為導航臺，導航臺與所有運載體上的導航設備用無線電波相聯(lián)系。運載體進入導航臺所發(fā)射電磁波的覆蓋范圍后，它的導航設備便能輸出導航信息。導航臺一般不輸出導航信息，它一般設在陸地上，因此稱為陸基無線電導航系統(tǒng)。20世紀90年代出現(xiàn)的是把導航臺設在人造地球衛(wèi)星上，稱為衛(wèi)星導航系統(tǒng)。陸基無線電導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)又總稱為無線電導航系統(tǒng)。
　　1.自主式導航系統(tǒng)
　　自主式導航系統(tǒng)不需要依靠外界任何信息即可完成自動導航功能，慣性導航系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。根據(jù)慣性導航的原理，它也屬于航位推算(DR)導航系統(tǒng)，即由一個已知的起始位置通過測得的飛機速度以及航向等來估算飛機的飛行距離。慣性導航系統(tǒng)精度很高，自20世紀70年代以來，在民航飛機上獲得了廣泛的應用。由于航位推算導航系統(tǒng)存在時間累積誤差，因此需要適時修正其定位誤差，并通過定位系統(tǒng)提供的位置信息對系統(tǒng)進行更新修正。
　　2.無線電導航系統(tǒng)
　　無線電導航是借助于運載體上的導航設備接收和處理無線電波來獲得導航參量的一種導航。能夠完成全部或部分無線電導航功能的裝置稱為無線電導航系統(tǒng)。19世紀末發(fā)明無線電之后，最初的應用大致有兩種方式。一種是借助于各種信號調(diào)制，遠距離地傳送話音或電報信息，這種應用一直發(fā)展形成了今天的通信、廣播、電視和遙控、遙測等技術(shù)。另一種應用方式則還要借助無線電波傳播的定向性和恒速性，為運載體提供與位置和時間有關的信息，這就是無線電導航的肇始。
　　20世紀20年代末期出現(xiàn)，30～40年代在世界主要區(qū)域普及的陸基無線電導航主要是無線電信標、指點信標和四航道信標，前兩者起源于歐洲，現(xiàn)在還在為航空和航海服務。四航道信標只在美國推廣，40年代起已經(jīng)逐漸停止使用。1941年出現(xiàn)了儀表著陸系統(tǒng)(ILS)，1948年，ICAO決定采用伏爾（VOR）作為國際民用航空的標準航路導航系統(tǒng)。1956年研制成功的塔康（TACAN）用于為海軍飛機提供相對于軍艦的位置。民用航空為了給飛機提供二維定位信息，1959年決定直接采用TACAN的測距部分，形成測距器（DME）。DME地面臺與VOR地面臺裝在一起，為民用飛機提供距離與方位信息。為了實現(xiàn)越洋飛行，20世紀40年代構(gòu)思了雙曲線導航方法，先后引入的雙曲線系統(tǒng)分別是美國的羅蘭.A，羅蘭.C，奧米伽系統(tǒng)等。
　　20世紀90年代出現(xiàn)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星作為導航臺的星際導航系統(tǒng)，能為全球的陸、海、空、宇的各類運載體和其他用戶，提供全天候、不間斷、高精度、實時的三維位置、速度和時間信息。目前應用最廣泛的是美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）。它的精度很高，自1989年全面投入使用后，為機載導航系統(tǒng)帶來了革命性的進步。其他的衛(wèi)星導航系統(tǒng)還有歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗導航系統(tǒng)。
　　1.1.4監(jiān)視系統(tǒng)
　　監(jiān)視就是通過一些監(jiān)視設備或系統(tǒng)來掌握飛機的飛行動態(tài)，這在民航空中交通管制中尤為重要。常用的監(jiān)視設備或系統(tǒng)有由一次雷達和二次雷達構(gòu)成的雷達系統(tǒng)和自動相關監(jiān)視系統(tǒng)，此外還有用于周圍環(huán)境監(jiān)視的近地警告系統(tǒng)和交通警戒與防撞系統(tǒng)。
　　從監(jiān)視的原理來說，就是要對飛機進行定位并跟蹤，因此監(jiān)視功能應包括導航定位功能與通信功能，即確定飛機的位置并能將相關信息傳送到地面管制中心或通知機組。
　　1.雷達系統(tǒng)
　　雷達是應用的最早的監(jiān)視設備，根據(jù)接收回波的方式可分為一次雷達（PrimarySurveillanceRadar，PSR）和二次雷達（SecondarySurveillanceRadar，SSR）系統(tǒng)。PSR由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一束射頻能量，然后接收其中由目標反射回來的一小部分能量以確定目標的方位和距離等信息，是一種“獨立監(jiān)視”方式。一般可分為航路監(jiān)視雷達、機場監(jiān)視雷達、精密進近雷達和氣象雷達等系統(tǒng)。SSR是利用地面二次雷達發(fā)射詢問信號，機載應答機發(fā)射應答信號進行工作的，這是一種要依靠用戶應答或第三方傳媒者的“協(xié)同監(jiān)視”方式。目前的SSR應答機多為A/C模式，分別應答飛機的四位代碼和氣壓高度值。隨著飛行流量的增加，傳統(tǒng)的SSR不能滿足高性能自動化空管系統(tǒng)的要求，20世紀70年代，美國提出了離散尋址信標系統(tǒng)（DiscreteAddressBeaconSystem，DABS），它與現(xiàn)系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于具有選址詢問功能。1981年ICAO通信專業(yè)會議上，決定采用此信標系統(tǒng)，并命名為S模式二次監(jiān)視雷達信標系統(tǒng)。新系統(tǒng)將逐步取代現(xiàn)有的系統(tǒng)，以適應現(xiàn)代空管系統(tǒng)的需要。
　　2.自動相關監(jiān)視系統(tǒng)
　　自動相關監(jiān)視(AutomaticDependentSurveillance，ADS)是由被監(jiān)視目標測定自身位置后，主動報告給監(jiān)視者，使監(jiān)視者掌握其當前位置和運行意圖的監(jiān)視方式，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈管制。ICAO監(jiān)視方案中的關鍵是發(fā)展ADS，這是一種將監(jiān)視服務擴展到海洋空域、邊遠陸地區(qū)域和雷達覆蓋不到地區(qū)的監(jiān)視手段。根據(jù)工作模式，ADS分為合約式（AutomaticDependentSurveillance.Contract，ADS.C）或?qū)ぶ肥剑ˋutomaticDependentSurveillance.Address，ADS.A)和廣播式（AutomaticDependentSurveillance.Broadcast，ADS.B）兩種。兩種工作模式在可用數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)更新周期、適用環(huán)境和功用等方面具有不同的特點，可根據(jù)需要進行選用。
　　3.周圍環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)
　　飛機在航路飛行時，如離地高度過小、下降速率過快、發(fā)生風切變警告，近地警告系統(tǒng)（GPWS）會以視覺和語音的形式提供告警（如“PULLUP，PULLUP”等），增強型近地警告系統(tǒng)（EGPWS）比GPWS功能更完備，它能提供“前視地形警告”功能和“前視地形顯示”功能，在防止飛機可控飛行撞地方面發(fā)揮了很大的作用。
　　交通警戒和防撞系統(tǒng)（TCAS）或機載防撞系統(tǒng)（ACAS）可以提供空中沖突和規(guī)避導引。它探測并跟蹤在本機一定范圍內(nèi)的其他飛機，根據(jù)本機獲取的其他飛機的高度、速度、航向等信息，判斷其是否會對本機構(gòu)成威脅，并提供交通咨詢和決斷咨詢信息，用視覺和語音警告飛行員，以防止碰撞。
　　這兩大系統(tǒng)，都是機上飛行員通過機載電子系統(tǒng)自主監(jiān)視本機與地面、本機與其他飛機之間是否存在危險，并進而改出，防止碰撞。這極大地改善了機組人員的態(tài)勢感知能力。
　　1.1.5自動飛行控制系統(tǒng)
　　自動飛行控制系統(tǒng)可在無人參與的情況下自動控制飛機飛行的部分或全部運動參數(shù)。
　　在現(xiàn)代化大中型民航客機上，自動飛行控制系統(tǒng)通常包括：自動駕駛儀(A/P)、飛行指引儀(F/D)、偏航阻尼系統(tǒng)(Y/D)、俯仰配平系統(tǒng)及自動油門系統(tǒng)（A/T）等。
　　A/P通過自動地控制飛機飛行，減輕飛行員的工作負擔，還可以在惡劣的氣象條件下完成飛機的自動著陸；F/D主要在PFD或EADI上顯示駕駛指令桿，以指導駕駛員人工駕駛飛機或監(jiān)控飛機的姿態(tài)；偏航阻尼系統(tǒng)和俯仰配平系統(tǒng)結(jié)合在一起，稱為增穩(wěn)系統(tǒng)，改善飛機的穩(wěn)定性，提高飛行安全和旅客乘機的舒適性，Y/D在飛機的整個飛行過程中，改善飛機的動態(tài)穩(wěn)定性；俯仰配平系統(tǒng)
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