第1章緒論
　　1.1民航飛機(jī)電子系統(tǒng)概述
　　本書中，“民航飛機(jī)電子系統(tǒng)”是指飛機(jī)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(jī)的重要組成部分，是飛行員獲取飛行、導(dǎo)航及控制信息，支持飛機(jī)安全飛行的關(guān)鍵系統(tǒng)，在保障飛機(jī)性能和實(shí)現(xiàn)飛行更安全、更舒適、更環(huán)保、更高效和更經(jīng)濟(jì)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(rèn)識。航空電子在科學(xué)研究領(lǐng)域可以認(rèn)為是一門學(xué)科，在應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域可以認(rèn)為是有特定用途的設(shè)備或系統(tǒng)。這些設(shè)備或系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)顯示、飛機(jī)的導(dǎo)航、通信、飛行控制以及飛機(jī)飛行航跡的自動控制，它還控制飛機(jī)上的許多管理功能：燃油、液壓、環(huán)境和其他對飛機(jī)安全飛行和機(jī)上乘客舒適性至關(guān)重要的系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)代飛機(jī)電子系統(tǒng)在執(zhí)行飛行任務(wù)中的作用，可以將民航飛機(jī)的電子系統(tǒng)表示成以飛行管理計(jì)算機(jī)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(guān)系。
　　圖1.1民航飛機(jī)七大電子系統(tǒng)
　　1.1.1傳感器及儀表系統(tǒng)
　　在飛機(jī)上，要實(shí)現(xiàn)對各類參數(shù)（如發(fā)動機(jī)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(yīng)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(yīng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)儀表系統(tǒng)
　　發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的動力裝置，為了實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)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(jī)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量，如壓力傳感器測量發(fā)動機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速等。測得的發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和處理裝置送到相應(yīng)的指示或顯示裝置，便于飛行員在飛行過程中對發(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
　　2.大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)
　　準(zhǔn)確提供飛行控制和導(dǎo)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(yīng)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(jī)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(jī)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(wù)時尤為重要。許多機(jī)載電子系統(tǒng)，如自動駕駛儀和導(dǎo)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(jī)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(jì)70年代出現(xiàn)了慣性傳感器系統(tǒng)，但現(xiàn)代飛機(jī)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(dǎo)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(jī)的航向或方位角，同時也為其他機(jī)載電子系統(tǒng)提供各種航向基準(zhǔn)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(jī)完成飛行任務(wù)的過程中發(fā)揮著重要作用，地面基站與飛機(jī)之間以及飛機(jī)與飛機(jī)之間可靠的雙向通信是必不可少的。在1909年飛機(jī)上就已安裝了無線電發(fā)射和接收裝置，這是第一代機(jī)載電子裝備�，F(xiàn)代飛機(jī)上的無線電通信裝置非常復(fù)雜，并且包含了多個工作頻率波段。如用于近程通信的飛機(jī)無線電甚高頻通信系統(tǒng)（VHF，工作頻段為118.000～135.975MHz），用于遠(yuǎn)程通信的飛機(jī)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(jī)提供信息和接收飛機(jī)信息。從1978年起航空公司開始應(yīng)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(yùn)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(yīng)運(yùn)而生。ICAO已經(jīng)為衛(wèi)星通信、VDL和HFDL空地子網(wǎng)絡(luò)制定了十分詳細(xì)的ICAOSARP文件。
　　1.1.3導(dǎo)航系統(tǒng)
　　導(dǎo)航是一種為運(yùn)載體航行時提供連續(xù)、安全和可靠服務(wù)的技術(shù)。顧名思義，它的基本作用是引導(dǎo)飛機(jī)、車輛等運(yùn)載體及個人，安全準(zhǔn)確地沿著所選定的路線，準(zhǔn)時地到達(dá)目的地。
　　導(dǎo)航由導(dǎo)航系統(tǒng)完成。任何導(dǎo)航系統(tǒng)中都包括有裝在運(yùn)載體上的設(shè)備，飛行員或自動駕駛儀根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備的儀表指示或輸出的信號，在任何環(huán)境中，操縱運(yùn)載體正確地向目的地前進(jìn)。這種指示或信號的內(nèi)容稱為導(dǎo)航信息。如果裝在運(yùn)載體上的設(shè)備可單獨(dú)產(chǎn)生導(dǎo)航信息，便稱它為自主式或自備式導(dǎo)航系統(tǒng)。如果除了裝在運(yùn)載體上的導(dǎo)航設(shè)備之外，還需有設(shè)在其他地方的一套設(shè)備與之配合工作，才能產(chǎn)生導(dǎo)航信息，則稱為非自主式或它備式導(dǎo)航系統(tǒng)，其中，裝在運(yùn)載體上的設(shè)備稱為機(jī)載、車載導(dǎo)航設(shè)備，而設(shè)在其他地方的設(shè)備稱為導(dǎo)航臺，導(dǎo)航臺與所有運(yùn)載體上的導(dǎo)航設(shè)備用無線電波相聯(lián)系。運(yùn)載體進(jìn)入導(dǎo)航臺所發(fā)射電磁波的覆蓋范圍后，它的導(dǎo)航設(shè)備便能輸出導(dǎo)航信息。導(dǎo)航臺一般不輸出導(dǎo)航信息，它一般設(shè)在陸地上，因此稱為陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的是把導(dǎo)航臺設(shè)在人造地球衛(wèi)星上，稱為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又總稱為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。
　　1.自主式導(dǎo)航系統(tǒng)
　　自主式導(dǎo)航系統(tǒng)不需要依靠外界任何信息即可完成自動導(dǎo)航功能，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。根據(jù)慣性導(dǎo)航的原理，它也屬于航位推算(DR)導(dǎo)航系統(tǒng)，即由一個已知的起始位置通過測得的飛機(jī)速度以及航向等來估算飛機(jī)的飛行距離。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度很高，自20世紀(jì)70年代以來，在民航飛機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。由于航位推算導(dǎo)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(jìn)行更新修正。
　　2.無線電導(dǎo)航系統(tǒng)
　　無線電導(dǎo)航是借助于運(yùn)載體上的導(dǎo)航設(shè)備接收和處理無線電波來獲得導(dǎo)航參量的一種導(dǎo)航。能夠完成全部或部分無線電導(dǎo)航功能的裝置稱為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。19世紀(jì)末發(fā)明無線電之后，最初的應(yīng)用大致有兩種方式。一種是借助于各種信號調(diào)制，遠(yuǎn)距離地傳送話音或電報(bào)信息，這種應(yīng)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(yīng)用方式則還要借助無線電波傳播的定向性和恒速性，為運(yùn)載體提供與位置和時間有關(guān)的信息，這就是無線電導(dǎo)航的肇始。
　　20世紀(jì)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(dǎo)航主要是無線電信標(biāo)、指點(diǎn)信標(biāo)和四航道信標(biāo)，前兩者起源于歐洲，現(xiàn)在還在為航空和航海服務(wù)。四航道信標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)航路導(dǎo)航系統(tǒng)。1956年研制成功的塔康（TACAN）用于為海軍飛機(jī)提供相對于軍艦的位置。民用航空為了給飛機(jī)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(jī)提供距離與方位信息。為了實(shí)現(xiàn)越洋飛行，20世紀(jì)40年代構(gòu)思了雙曲線導(dǎo)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(jì)90年代出現(xiàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺的星際導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球的陸、海、空、宇的各類運(yùn)載體和其他用戶，提供全天候、不間斷、高精度、實(shí)時的三維位置、速度和時間信息。目前應(yīng)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(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)帶來了革命性的進(jìn)步。其他的衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備或系統(tǒng)來掌握飛機(jī)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(shè)備或系統(tǒng)有由一次雷達(dá)和二次雷達(dá)構(gòu)成的雷達(dá)系統(tǒng)和自動相關(guān)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(jī)進(jìn)行定位并跟蹤，因此監(jiān)視功能應(yīng)包括導(dǎo)航定位功能與通信功能，即確定飛機(jī)的位置并能將相關(guān)信息傳送到地面管制中心或通知機(jī)組。
　　1.雷達(dá)系統(tǒng)
　　雷達(dá)是應(yīng)用的最早的監(jiān)視設(shè)備，根據(jù)接收回波的方式可分為一次雷達(dá)（PrimarySurveillanceRadar，PSR）和二次雷達(dá)（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(biāo)反射回來的一小部分能量以確定目標(biāo)的方位和距離等信息，是一種“獨(dú)立監(jiān)視”方式。一般可分為航路監(jiān)視雷達(dá)、機(jī)場監(jiān)視雷達(dá)、精密進(jìn)近雷達(dá)和氣象雷達(dá)等系統(tǒng)。SSR是利用地面二次雷達(dá)發(fā)射詢問信號，機(jī)載應(yīng)答機(jī)發(fā)射應(yīng)答信號進(jìn)行工作的，這是一種要依靠用戶應(yīng)答或第三方傳媒者的“協(xié)同監(jiān)視”方式。目前的SSR應(yīng)答機(jī)多為A/C模式，分別應(yīng)答飛機(jī)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(jì)70年代，美國提出了離散尋址信標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)，并命名為S模式二次監(jiān)視雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)。新系統(tǒng)將逐步取代現(xiàn)有的系統(tǒng)，以適應(yīng)現(xiàn)代空管系統(tǒng)的需要。
　　2.自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)
　　自動相關(guān)監(jiān)視(AutomaticDependentSurveillance，ADS)是由被監(jiān)視目標(biāo)測定自身位置后，主動報(bào)告給監(jiān)視者，使監(jiān)視者掌握其當(dāng)前位置和運(yùn)行意圖的監(jiān)視方式，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈管制。ICAO監(jiān)視方案中的關(guān)鍵是發(fā)展ADS，這是一種將監(jiān)視服務(wù)擴(kuò)展到海洋空域、邊遠(yuǎn)陸地區(qū)域和雷達(dá)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(diǎn)，可根據(jù)需要進(jìn)行選用。
　　3.周圍環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)
　　飛機(jī)在航路飛行時，如離地高度過小、下降速率過快、發(fā)生風(fēng)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(qiáng)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(jī)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(jī)載防撞系統(tǒng)（ACAS）可以提供空中沖突和規(guī)避導(dǎo)引。它探測并跟蹤在本機(jī)一定范圍內(nèi)的其他飛機(jī)，根據(jù)本機(jī)獲取的其他飛機(jī)的高度、速度、航向等信息，判斷其是否會對本機(jī)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(jī)上飛行員通過機(jī)載電子系統(tǒng)自主監(jiān)視本機(jī)與地面、本機(jī)與其他飛機(jī)之間是否存在危險(xiǎn)，并進(jìn)而改出，防止碰撞。這極大地改善了機(jī)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(jī)飛行的部分或全部運(yùn)動參數(shù)。
　　在現(xiàn)代化大中型民航客機(jī)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(jī)飛行，減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)，還可以在惡劣的氣象條件下完成飛機(jī)的自動著陸；F/D主要在PFD或EADI上顯示駕駛指令桿，以指導(dǎo)駕駛員人工駕駛飛機(jī)或監(jiān)控飛機(jī)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(jī)的穩(wěn)定性，提高飛行安全和旅客乘機(jī)的舒適性，Y/D在飛機(jī)的整個飛行過程中，改善飛機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定性；俯仰配平系統(tǒng)
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