飞机通信与导航系统

1、航天电子信息技术航天电子信息技术通信与导航通信与导航计科：郑露婷、和晓梅2014/4/173.8马来西亚飞机失联事件 3月8日凌晨2点40分，载有239人的波音777-200飞机失联，由吉隆坡飞往北京。 24日晚10点，马来西亚总理宣称客机在南印度洋坠毁，无人幸存。 4月中旬，中澳相继发现疑似MH370黑匣子信号，目前仍在搜寻中。航天电子系统 在现代航空和航天工程中电子系统是重要的系统之一。 它按功能分为通信通信、导航导航、雷达、目标识别、遥测、遥控、遥感、火控、制导、电子对抗等系统。 电子理论和技术基础：通信理论、电磁场理论、电波传播、天线、检测理论和技术、编码理论和技术、信号处理技术等 而

2、微电子技术和电子计算机技术则是提高各种电子系统性能的基础。引言 为什么失联？ 最后去了哪里？ 在马航失联后，它的通信与航线问题一直困扰着我们，今天我们就飞机的通信与导航问题来研究一下。 通信系统 导航系统通信系统 实现飞机与地面的互联，飞机与飞机的相实现飞机与地面的互联，飞机与飞机的相互通信，机组成员的通话，机舱内的广播互通信，机组成员的通话，机舱内的广播等试听娱乐。等试听娱乐。 系统一般包括系统一般包括飞行器上的电子系统飞行器上的电子系统和和相应相应的地面电子系统两部分的地面电子系统两部分， 这两部分通过这两部分通过电磁波传输信号电磁波传输信号合成为一个合成为一个系统，实现通讯。系统，实现通

3、讯。通讯系统 发电报的设备发电报的设备 （安装在飞机上）（安装在飞机上）实时自动地把航班运行的数据，主要包括经纬度、飞行高度以及速度等数据，持续不断地发回航空公司。通信系统 监控终端设备（地面上）监控终端设备（地面上） 飞机一旦起飞后，航空公司就能持续不断地收到飞机上的设备发来的信息。能随时监测飞机的情况。通讯系统 机载应答设备机载应答设备 通过对讲机一样的东西，不停跟地面的空管员联系，实时保证飞机与地面的互联。（PS：据说MH370失联就是有人故意关闭应答系统，事实不得而知）飞机通信系统 甚高频通信系统（VHF）起飞和降落时 高频通信系统HF 远程飞行时与基地保持联 选择呼叫系统SEL CA

4、L 机组成员间联络 音频综合系统 AIS 对旅客的广播视频服务等 卫星通讯寻址系统SATCOM 飞机通讯寻址与报告系统ACARS 黑匣子Black Box通信系统卫星通信 飞机与地面的设备信号传输是采用卫星通信。 所谓的卫星通信satcom，是指利用空间的人造地球卫星座位中继站发无线电信号，以实现两个或多个地球站之间的通信。 目前在世界范围内大约有255个地面地球站。有4个同步卫星为飞机服务：大西洋上有两个、太平洋和印度洋各一个。卫星通信 卫星通信系统由三个主要部分组成： 卫星 飞机机载站 地面地球站。飞机通信寻址与报告系统 Aircraft Communication Addressing

5、and Reporting System，缩写：ACARS）在航空器和地面站之间通过无线电或卫星传输短消息（报文）的数字数据链系统。 PS：在数据链系统出现之前，地面人员和飞行人员之间：在数据链系统出现之前，地面人员和飞行人员之间的所有交流只能通过语音进行。这种通讯以的所有交流只能通过语音进行。这种通讯以甚高频甚高频或或高频高频语音无线电通信方式实现。语音无线电通信方式实现。 飞机通信 在飞机上，飞机通信寻址与报告系统由一个称为飞机通信寻址与报告系统管理单元(MU)的航电计算机和一个控制显示器单元(CDU)组成。MU用以发送和接受来自地面的甚高频无线电数字报文。 在地面，飞机通信寻址与报告系统

6、由一个有多个无线电收发机构成的网络组成，它可以接受（或发送）数据链消息，并将其分发到网络上的不同航空公司。应用工作流程OOOI 自动检测和报告飞机在主要飞行阶段 Out of the gate推出登机门 Off the ground；离地起飞 On the ground；着陆 Into the Gate，停靠登机门 工业上简称OOOI 数据保存下来事实的与地面进行数据交换 这些OOOI事件是由飞机上各种传感器（例如舱门、停留刹车和起落架上的开关传感器）的输出信号来确认的。 在每一飞行阶段的开始时刻，ACARS将一个数字报文发送到地面，其中包括飞行阶段名称、发生时刻，以及其他诸如燃油量或始发地和

7、目的地。 由人员或机载设备创建报文报文并通过飞机通信寻址与报告系统将其送达地面的人员或系统，反之亦如此。飞机通信寻址与报告系统报文可以以手工或自动方式发送。典型的典型的VHF ACARS报文报文ModeAAircraftB-18722AckNAKBlock id2FlightCI5118LabelB9Msg No.L05AMessage/KLAX.TI2/024KLAXA91A1人机交互人机交互Eg.气象报告发出请求发出请求：飞机请求气象信息报文生成报文生成报文：航空公司的计算机系统首先生成一条包含该飞机注册号及实际气象信息的上传报文传送数据传送数据：将其送往数据链服务供应商（DSP）的主机系

8、统。 供应商通过自己的地面网络将该报文传送到距飞机最近的甚高频(VHF)远程地面站。广播报文广播报文：地面站将此报文通过VHF广播出去接收接收报文报文：机载VHF接收到此信号后通过内置的调制解调器将其转为数字报文发送至通信管理单元(CMU)。CMU验证飞机注册号，如果相符就继续处理该报文。black box “黑匣子黑匣子”是飞机专是飞机专用的电子记录设备用的电子记录设备之一。之一。飞机飞机各机械各机械部位和电子仪器仪部位和电子仪器仪表都装有传感器与表都装有传感器与之相连。之相连。 每架飞机上首尾部每架飞机上首尾部各有一个。各有一个。黑匣子 飞行数据记录器飞行数据记录器 Flight Data

9、 Recorder，FDR 能记录飞机的系统工作状况和引擎工作参数等飞行参数，内容包括：空中飞行速度、高度、航向、发动机推力资料、俯仰与滚动资料、纵向加速度资料及许多参数资料 驾驶舱通话记录器驾驶舱通话记录器Cockpit Voice Recorder，CVR 仪器上的四条音轨分别记录飞行员与航空管制员的通话，正、副驾驶员之间的对话、驾驶员、空服员对乘客的广播，以及驾驶舱内各种声音（引擎声、警报声）。 记录的时间约2小时，录完后，会自动倒带从头录起，若发生空难，之前的两个小时会被完整保留，并持续发出讯号，直到断电为止（记录器所提供的电力足够发出信号30日）。黑匣子 飞行数据记录器飞行数据记录器

10、 Flight Data Recorder，FDR 能记录飞机的系统工作状况和引擎工作参数等飞行参数，内容包括：空中飞行速度、高度、航向、发动机推力资料、俯仰与滚动资料、纵向加速度资料及许多参数资料 驾驶舱通话记录器驾驶舱通话记录器Cockpit Voice Recorder，CVR 仪器上的四条音轨分别记录飞行员与航空管制员的通话，正、副驾驶员之间的对话、驾驶员、空服员对乘客的广播，以及驾驶舱内各种声音（引擎声、警报声）。 记录的时间约2小时，录完后，会自动倒带从头录起，若发生空难，之前的两个小时会被完整保留，并持续发出讯号，直到断电为止（记录器所提供的电力足够发出信号30日）马航失联路线导

11、航系统 马航原有航线：吉隆坡北京 马航坠落地点：南印度洋？ 澳方发现黑匣子信号地点 客机到底在哪？导航系统 大脑导航（记忆大脑导航（记忆,参考物）参考物） 手机导航手机导航GPS（全球卫星定位系统）（全球卫星定位系统） 车载电脑导航（车载电脑导航（onStar） 航天系统导航航天系统导航onStar最新最新碰撞自动求助 紧急救援系统 安全保障系统 导航系统 车况检测系统 汽车语音导航导航系统 含义含义飞机导航系统是指通过测量飞行器的加速度，飞机导航系统是指通过测量飞行器的加速度，自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。设备都安装在飞和瞬时位

12、置数据的技术。设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰。外界辐射能量，不易受到干扰。 导航系统 引导飞机沿着引导飞机沿着预定航线飞到预定地点预定航线飞到预定地点 随时给出飞机准确的即使位置随时给出飞机准确的即使位置 在军事上，导航系统还要配合其他系统完在军事上，导航系统还要配合其他系统完成武器投放、侦查、巡逻、反潜、预警和成武器投放、侦查、巡逻、反潜、预警和救援等任务。救援等任务。飞机导航系统 飞机导航系统可以确定飞机的位置并引飞机导航系统可以确定飞机的位置并引导飞机按预定航线飞行的整套设备导飞机按预定航线飞行的整套设备（

13、包括飞机上的和地面上的设备）（包括飞机上的和地面上的设备） 导航方法 导航的关键在于确定飞机的瞬时位置 5种方法： 目视定位：起飞和降落过程 航位推算：飞行速度，航向，风向（人工，电脑） 几何定位：距离，角度测算，电脑完成导航方法 磁罗盘 类似指南针，指针指向地球的磁极（容易受到飞机铁质零件和地球磁场的影响）早期使用 无线电通话 驾驶员与地面管制人员用无线电互相通话，管制员可以及时知道飞机位置，高度，给驾驶员下达命令，提供导航信息（多用于在机场附近的交通空域里）发展历程 早期：目视导航（驾驶员的经验）早期：目视导航（驾驶员的经验） 1920S：仪表导航仪表导航，飞机上有了简单的仪表，靠，飞机上

14、有了简单的仪表，靠人工计算得出飞机位置人工计算得出飞机位置 30年代：年代：无线电导航无线电导航 现代：现代：卫星导航卫星导航，全球卫星定位系统全球卫星定位系统GPS 惯性导航惯性导航，天文导航天文导航1、仪表导航系统 提供参数：空速表，磁罗盘，航向陀螺仪和高度表等专用电子设备提供确却的实时数据。 自动领航仪：根据提供的参数计算出航向数据， 大气数据计算机；将提供的参数由特定的程序计算导航系统 现在飞机导航综合了多种技术 主要有 仪表导航 无线电导航 卫星导航 惯性导航机载设备 无线电导航系统 雷达系统 交通管制与警告系统 惯性基准系统 飞行管理系统1、仪表导航 空速表 高度表 航向仪导航模拟

15、机2、无线电导航系统 地面无线电导航台地面无线电导航台 对飞机进行实时定位对飞机进行实时定位 飞机上的无线电导航设备飞机上的无线电导航设备 接收地面导航台信号接收地面导航台信号 远程导航系统远程导航系统 测量各个导航台信号的相位差测量各个导航台信号的相位差 测速无线电设备测速无线电设备 利用多普勒效应利用多普勒效应2无线电导航系统 功能。利用来自地面台或空中的无线电信号来帮助驾驶员引导飞机航行 包括ADF（自动定向机） VOR（甚高频全向信标） ILS（仪表着陆系统）：引导飞机安全着陆，由航向、下滑、质点信标系统组成。2、无线电导航系统 全球定位导航则借助于导航卫星。近程无线电导航系统： 作用

16、距离在 400公里以内远程无线电导航系统：达到数千公里超远程无线电导航系统：1万公里以上全球定位导航系统。雷达系统 包括包括LRRA（无线电高度表）：测高（无线电高度表）：测高 DME（测距机）：测距（测距机）：测距 WXR（气象雷达）：飞机周围环境监测（气象雷达）：飞机周围环境监测（雷达：发射电磁波，光速，出现在二战时期，应用广泛多用于军事！）3、卫星导航系统GPS 导航卫星 18科导航卫星， 运行周期12h 地面站组 四个监控站 用户设备 接收机美国全球定位系统卫星定位导航卫星定位导航 充分利用电子计算机和大规模集成电路，提高航空航天电子系统的综合化、自动化和智能化水平； 提高实时信号处理

17、和数据处理的能力和数据传输的速率； 发展高速率和超高速率的大规模集成电路； 发展可靠性更高和寿命更长的各种电子元器件 卫星导航卫星导航 优点：优点： 应用最广，定位精度高，全球，全天候应用最广，定位精度高，全球，全天候 缺点：缺点： 成本高，需要复杂的定位设备成本高，需要复杂的定位设备 惯性导航 通过测量飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。 加速计（测飞机加速度） 陀螺仪（测量角度） 根据牛顿惯性定理，利用惯性原件，测算的飞机航向的数据。惯性基准导航系统 IRS 提供飞机姿态，航向，飞机当前位置等信息惯性导航 （1）不依赖于任何外部信息也不向外部辐射能量的自主式系统故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响； （2）可全天侯全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下 （3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低 （4）数据更新率高、短期精度和稳定性好其缺点是： 多用于航空飞船飞行管理系统 FMS 以飞机管理计算为核心的高级区域