飛行管理システム

飛行管理システム( FMS )は、現代の旅客機の航空電子機器の基本的な構成要素です。 FMS は、さまざまな飛行中のタスクを自動化する特殊なコンピュータ システムで、現代の民間航空機には航空機関士や航法士が乗っていないほど、乗務員の作業負荷を軽減しています。 主な機能は、飛行中の飛行計画の管理です。 さまざまなセンサー (多くの場合、無線航法によってバックアップされるGPSやINSなど) を使用して航空機の位置を判断し、FMS は飛行計画に沿って航空機を誘導できます。 コックピットから、FMS は通常、小型スクリーンとキーボードまたはタッチスクリーンを組み込んだ制御表示ユニット(CDU) を介して制御されます。 FMS は、飛行計画を電子飛行計器システム(EFIS)、航法ディスプレイ (ND)、または多機能ディスプレイ (MFD) に送信して表示します。 FMS は、飛行管理コンピュータ (FMC)、CDU、およびクロス トーク バス で構成されるデュアル システムとして要約できます。

現代のFMSはボーイング767に導入されましたが、それ以前にもナビゲーションコンピュータは存在していました。^{[1]現在、FMSに類似したシステムは}セスナ182のような小型航空機にも存在しています。FMSはその進化の中で、さまざまなサイズ、機能、制御を備えてきました。ただし、すべてのFMSに共通する特定の特性があります。

すべての FMS にはナビゲーション データベースが含まれています。ナビゲーション データベースには、フライト プランを構成する要素が含まれています。これらはARINC 424標準で定義されています。ナビゲーション データベース (NDB) は通常、その内容を最新の状態に保つために 28 日ごとに更新されます。各 FMS には、FMS の機能に関連する ARINC / AIRACデータのサブセットのみが含まれています。

NDB には、飛行計画を作成するために必要なすべての情報が含まれており、次のものが含まれます。

• ウェイポイント/交差点
• 航空
• 距離測定装置(DME)、VHF 全方向航行装置(VOR)、無指向性ビーコン(NDB)、計器着陸装置(ILS)などの無線航行支援装置。
• 空港
• 滑走路
• 標準計器出発（SID）
• 標準ターミナル到着（STAR）
• ホールディング パターン(IAP の一部としてのみ - ただし、ATC の指示またはパイロットの裁量で入力できます)
• 計器進入方式（IAP）

ウェイポイントは、ルートに沿ってパイロットが定義することも、ウェイポイントの形式で場所を入力して他のウェイポイントを参照することによって定義することもできます (例: VOR、NDB、ILS、空港、ウェイポイント/交差点)。

飛行計画は、通常、小型機の場合はパイロット、旅客機の場合は専門のディスパッチャーによって、出発前に地上で決定されます。飛行計画は、入力するか、保存されている共通ルート (カンパニー ルート) のライブラリから選択するか、航空会社ディスパッチ センターとのACARSデータリンクを介して、FMS に入力されます。

飛行前には、飛行計画の管理に関連するその他の情報も入力されます。これには、総重量、燃料重量、重心などの性能情報が含まれます。これには、初期巡航高度を含む高度が含まれます。GPS を搭載していない航空機の場合は、初期位置も必要です。

パイロットは、さまざまな理由で飛行中に FMS を使用して飛行計画を変更します。重要なエンジニアリング設計により、飛行中のパイロットの作業負荷を最小限に抑え、混乱を招く情報 (危険​​な誤解を招く情報) を排除するために、キー入力が最小限に抑えられています。また、FMS は、フライト デッキ計器である電子飛行計器システム ( EFIS ) のナビゲーション ディスプレイ (ND) に表示するための飛行計画情報を送信します。飛行計画は通常、他の空港、無線補助装置、ウェイポイントとともにマゼンタ色の線で表示されます。

一部の FMS は、検索パターン、ランデブー、空中給油タンカーの軌道、正確なパラシュート降下のための計算された空気放出ポイント (CARP) など、多くの場合は戦術的な要件に合わせて特別な飛行計画を計算できます。

飛行中、FMS の主なタスクは位置の決定、つまり航空機の位置とその位置の精度を決定することです。シンプルな FMS は、位置を決定するために 1 つのセンサー (通常はGPS)を使用します。しかし、最新の FMS は、正確な位置を決定して検証するために、VOR などのできるだけ多くのセンサーを使用します。一部の FMS は、カルマン フィルターを使用して、さまざまなセンサーからの位置を 1 つの位置に統合します。一般的なセンサーには次のものがあります。

• 航空会社品質の GPS 受信機は、最高の精度と整合性を備えているため、主要なセンサーとして機能します。
• 航空機のナビゲーション用に設計された無線補助装置は、2 番目に高品質なセンサーとして機能します。これには以下が含まれます。
  • 5つの異なるDMEステーションからの距離を同時にチェックし、10秒ごとに1つの位置を決定するスキャンDME（距離測定装置）。 ^[2]
  • 方位を提供するVOR ( VHF 全方向無線範囲)。2 つの VOR ステーションを使用すると、航空機の位置を特定できますが、精度は制限されます。
• 慣性基準システム(IRS)は、リング レーザー ジャイロと加速度計を使用して航空機の位置を計算します。これらは非常に正確で、外部ソースに依存しません。航空機は、3 つの独立した IRS の加重平均を使用して、「トリプル混合 IRS」の位置を決定します。

FMS はさまざまなセンサーを常にクロスチェックし、単一の航空機の位置と精度を決定します。精度は、実際の航行性能 (ANP) として表されます。これは、航空機がどこにでも移動できる円で、海里単位で直径として測定されます。現代の空域には、必要な航行性能(RNP) が設定されています。航空機は、特定の高高度空域で運航するために、ANP を RNP より低くする必要があります。

飛行計画と航空機の位置に基づいて、FMS は従うべきコースを計算します。パイロットは手動でこのコースに従うことができます (VOR ラジアルに従うのとよく似ています)。または、自動操縦を設定してコースに従うこともできます。

FMS モードは通常、横方向の飛行計画の場合は LNAV または横方向ナビゲーション、垂直方向の飛行計画の場合は VNAV または垂直方向ナビゲーションと呼ばれます。VNAV は速度とピッチまたは高度のターゲットを提供し、LNAV は自動操縦装置にロール ステアリング コマンドを提供します。

高度な航空機、一般的にはエアバス A320やボーイング 737などの旅客機や、その他のターボファンエンジン搭載航空機には、完全な性能を備えた垂直航法 ( VNAV ) が搭載されています。VNAV の目的は、垂直経路を予測して最適化することです。ガイダンスには、ピッチ軸の制御とスロットルの制御が含まれます。

FMS には、このために必要なデータを取得するために、包括的な飛行およびエンジン モデルが必要です。この機能では、この情報を使用して、横方向の飛行計画に沿った予測垂直経路を作成できます。通常、この包括的な飛行モデルの唯一のソースは航空機製造元です。

垂直プロファイルは、飛行前に FMS によって作成されます。横方向の飛行計画とともに、航空機の開始時の空虚重量、燃料重量、重心、巡航高度が使用されます。垂直コースの最初のステップは、巡航高度まで上昇することです。一部の SID ウェイポイントには、「8,000 以上」などの垂直制限があります。エンジンを節約するために、上昇中は推力を減らす「FLEX」上昇が使用される場合があります。垂直プロファイルの予測を行うときは、それぞれを考慮する必要があります。

正確な VNAV の実装は難しく、費用もかかりますが、巡航時や降下時に主に燃料を節約できます。燃料のほとんどが燃焼する巡航時には、燃料を節約する方法が複数あります。

航空機は燃料を燃焼すると軽量になり、抗力の少ない高度まで巡航することができます。ステップ上昇または巡航上昇により、このことが可能になります。VNAV は、燃料消費を最小限に抑えるために、ステップ上昇または巡航上昇 (航空機が継続的に上昇する) をどこで行うべきかを判断できます。

性能最適化により、FMSは水平飛行で飛行するのに最適または最も経済的な速度を決定できます。これは、しばしばECON速度と呼ばれます。これは、速度と燃料効率の重み付けを行うために入力されるコスト指数に基づいています。コスト指数は、飛行機を運用する1時間あたりのコストを燃料コストで割って計算されます。^{[3] [4]}一般に、コスト指数が999の場合、燃料を考慮せずに可能な限り高速なECON速度になり、コスト指数が0の場合は、メンテナンスや乗務員の費用など、他の時間単位のコストを無視して最大の燃料効率になります。ECONモードは、ほとんどの旅客機が巡航中に使用するVNAV速度です。

RTA (到着必要時間) により、VNAV システムは特定のウェイポイントに定義された時間に到着するように設定できます。これは、空港の到着スロットのスケジュール設定に役立ちます。この場合、VNAV は巡航速度またはコスト インデックスを調整して、RTA が満たされるようにします。

VNAV が降下のために最初に計算するのは、降下開始点 (TOD) です。これは、効率的で快適な降下が始まる地点です。通常、これにはアイドル降下が含まれますが、一部の航空機ではアイドル降下は急すぎて不快です。FMS は、着陸からアプローチ、巡航まで降下を逆方向に「飛行」して TOD を計算します。これは、飛行計画、航空機の飛行モデル、降下風を使用して行われます。航空会社の FMS の場合、これは非常に洗練され正確な予測ですが、単純な FMS (小型航空機) の場合は、3 度の降下経路などの「経験則」で決定できます。

TOD から、VNAV は 4 次元の予測経路を決定します。VNAV がスロットルをアイドルにするよう命令すると、航空機は VNAV 経路に沿って降下を開始します。予測経路が正しくないか、降下経路の風が予測と異なる場合、航空機は経路を完全にたどりません。航空機は経路を維持するためにピッチを変更します。スロットルはアイドル状態であるため、速度が調整されます。通常、FMS は速度が狭い範囲で変化することを許可します。その後、スロットルが前進するか (航空機が経路より下にある場合)、FMS がメッセージ (多くの場合、「DRAG REQUIRED」) とともにスピード ブレーキを要求します (航空機が経路より上にある場合)。エアバス機では、このメッセージは PFD にも表示され、航空機が経路上で非常に高い位置にある場合は、「MORE DRAG」と表示されます。ボーイング機では、航空機が規定の経路から大きく外れると、VNAV PTH（計算された経路に従う）から VNAV SPD（選択した速度を維持しながら可能な限り速く降下する、エアバスの OP DES（オープン降下）に類似）に切り替わります。

理想的なアイドル降下は「グリーン降下」とも呼ばれ、燃料の使用を最小限に抑え、汚染（高高度と空港周辺の両方）と騒音を最小限に抑えます。大型旅客機の最新の FMS のほとんどはアイドル降下が可能ですが、ほとんどの航空管制システムは、現時点では、複数の航空機がそれぞれ最適な降下経路を使用して空港に向かうのを処理できません。そのため、航空管制ではアイドル降下の使用を最小限に抑えています。

• 航空記事の索引
• 航空電子工学における頭字語と略語
• 戦略的横方向オフセット手順

• ARINC 702A、高度飛行管理コンピュータシステム
• 航空電子工学、要素、ソフトウェアおよび機能 第 20 章、Cary R. Spitzer、ISBN 0-8493-8438-9 
• FMC ユーザーズ ガイド B737、第 1 章、Bill Bulfer、Leading Edge Libraries
• Casner, SM 『現代の航空機コックピットへのパイロットガイド』。ニューキャッスル、WA、Aviation Supplies and Academics、2007年。ISBN 1-56027-683-5。 
• Chappell, AR 他「VNAV チューター: グラス コックピット航空機のパイロットのモード認識の難しさへの対処」IEEE Transactions on Systems, Man, and Cyber​​netics Part A、Systems and Humans、vol. 27、no.3、1997 年 5 月、pp. 372–385。