ATA 22|自动驾驶究竟在“自动”什么?

建议阅读时间：10 分钟本文讨论运输类飞机的通用原理。具体操作、限制和故障处置必须以对应机型经批准的手册为准。

在 ATA 章节体系中，ATA 22 指的是 Auto Flight，即自动飞行系统（Auto Flight System）。它研究的不是一台可以替代飞行员的“机器机长”，而是由自动驾驶仪（Autopilot，AP）、飞行指引（Flight Director，FD）、自动油门（Autothrottle，AT）或自动推力（Autothrust，A/THR）等功能共同组成的控制体系。

今天的民航飞机可以沿航路爬升、巡航、下降并截获进近航道，但“飞机知道去哪里”“计算该怎么飞”和“真正操纵舵面”通常由不同系统完成。飞行管理系统（Flight Management System，FMS）负责规划，FD 负责生成并显示指引，AP 负责执行。理解 ATA 22 的第一步，就是把这些角色分开。

一、从“稳住飞机”到“管理飞行轨迹”

1913 年，斯佩里父子研制的自动陀螺稳定装置（Automatic Gyrostabilizer）已经能让飞机在无人持续操纵的情况下保持平直飞行；1914 年，劳伦斯·斯佩里公开演示了这套装置。早期 AP 的核心目标很朴素：利用陀螺感知姿态变化，再驱动操纵机构抵消偏差。[1]

此后的发展大致经历了四个阶段：

1. 稳定化。
    早期系统主要保持航向、俯仰或高度，减轻长时间飞行中的操纵负担。
2. 多轴与无线电耦合。
    系统逐步能够同时控制横滚、俯仰和偏航，并跟踪甚高频全向信标（VHF Omnidirectional Range，VOR）、仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）等无线电信号。
3. 数字化与飞行管理融合。
    数字计算机取代大量模拟装置，自动飞行开始接收飞行管理系统给出的航迹、速度与高度目标。
4. 高度综合化。
    飞行控制系统与数字航电高度综合后，自动飞行功能可以作为软件应用运行在共享计算平台上，再通过飞控系统驱动舵面。

变化的是传感器、计算平台和接口；没有改变的是闭环控制的骨架：设定目标、测量状态、计算偏差、发出指令，再根据飞机的新状态继续修正。

二、自动驾驶并不是一个单独的“盒子”

一套典型的自动飞行系统通常由以下角色协同工作：

• FMS 根据飞行计划、导航数据库和飞机性能，生成航路及垂直剖面；
• FD 把当前模式需要的姿态或轨迹指令显示给飞行员；
• AP 把指引转化为对飞行控制系统或作动器的命令；
• AT 或 A/THR 调节发动机推力，以保持目标速度或规定推力；
• 飞行模式通告（Flight Mode Annunciation，FMA）告诉飞行员：哪些模式已经接通、哪些正在预位、系统此刻究竟在控制什么。

一个简单例子是：FMS 规划飞机沿航路转弯；横向导航（Lateral Navigation，LNAV）模式把这条航迹变成滚转指令；FD 在主飞行显示器（Primary Flight Display，PFD）上给出指引；若 AP 接通，系统再把相应控制命令送往舵面。AP 断开时，飞行员仍可手动跟随 FD；FD 关闭时，飞行员也可以按基础仪表人工飞行。

因此，FMS 不是 AP，AP 也不负责凭空“想出”目的地。前者偏重规划与性能计算，后者偏重闭环执行；两者通过模式逻辑连接起来。

三、闭环控制：它怎样把“目标”变成“动作”？

假设飞机需要保持 10 000 米高度。系统从大气数据系统（Air Data System，ADS）、惯性基准系统（Inertial Reference System，IRS）和无线电导航设备等来源获得当前高度、姿态、角速度和加速度，与目标状态比较后计算控制命令。如果飞机低于目标，俯仰通道可能给出抬头指令；舵面动作后，传感器立即测到新的响应，计算机继续修正。

这个过程每秒重复多次，但它绝不是“差多少就打多少舵”那么简单。设计者还要处理飞机随速度、重量和构型变化而改变的动态特性，限制指令变化率，避免过度修正，并在传感器失真、作动器故障或通道不一致时及时退出控制。

现代系统通常把功能分成三条控制主线：

• 横向模式（Lateral Mode）
  管理航向、航迹、转弯和航道截获；
• 垂直模式（Vertical Mode）
  管理俯仰、垂直速度、高度、爬升下降和下滑道截获；
• 推力模式（Thrust Mode）
  管理目标推力或速度。

三条主线相互耦合。例如爬升时，飞机可以用俯仰控制速度、用推力决定爬升能力，也可以采用另一种分工。只看“飞机正在爬升”并不能判断系统如何分配俯仰和推力；必须看具体机型的 FMA。[2]

四、读懂自动飞行模式：飞机此刻在控制什么？

模式可以理解为自动飞行系统完成某一类控制任务的方法。同一时刻通常有一个横向模式、一个垂直模式和一个推力模式在工作；“飞机正在爬升”只是结果，究竟由俯仰还是推力控制速度，要结合三个模式一起判断。

LNAV 与 VNAV：沿着 FMS 计算的轨迹飞

LNAV 让飞机跟踪 FMS 计算的横向航迹，负责航路转弯和航迹保持；垂直导航（Vertical Navigation，VNAV）则利用高度限制、速度限制和性能数据生成或跟踪垂直剖面。VNAV 内部还可能在“守住路径”和“守住速度”之间切换，因此 B777、B787 等机型会用 VNAV PTH、VNAV SPD 或 VNAV ALT 等字样进一步说明当前控制重点。[8][10]

但功能相通不等于名称统一。A320、A330、A350 的 FMA 常以 NAV 表示管理的横向航迹，以 CLB 或 DES 表示管理的爬升、下降；B737NG、B777、B787 与 C919 常见 LNAV、VNAV；C909 也使用 NAV、VNAV 等模式名称。飞行员不能只凭熟悉的缩写推测系统行为，仍应以本机型的模式定义为准。[3][4][5][6][7][8][9][10]

基础选择模式：把一个目标直接交给系统

• 航向/航迹选择（Heading/Track，HDG/TRK）
  ：保持飞行员选择的航向或地面航迹；部分波音机型显示为 HDG SEL。
• 高度选择（Altitude Select，ASEL）与高度保持（Altitude Hold，ALT）
  ：前者把飞机引向选定高度，进入截获阶段后转为后者。不同机型也可能显示 ALT ACQ、ALT* 等名称。
• 垂直速度（Vertical Speed，VS）与飞行航迹角（Flight Path Angle，FPA）
  ：分别保持选定的升降率或相对水平面的飞行轨迹角；并非所有机型都提供 FPA 选择。
• 飞行高度层改变（Flight Level Change，FLC/FLCH）
  ：在改变高度时重点维持目标速度。B737NG 常用 LVL CHG，部分波音宽体机显示 FLCH；空客的开放爬升/开放下降（Open Climb/Open Descent，OP CLB/OP DES）完成相近任务，但具体俯仰、推力和速度保护逻辑不能直接互换。[3][4][5][6][7][8][9][10]

进近、起飞复飞和推力模式

进近时，进近模式（Approach，APP/APPR）通常协调预位横向与垂直引导：航向道（Localizer，LOC）负责跑道中心线方向，下滑道（Glide Slope，GS）或下滑路径（Glide Path，GP）负责下降路径。起飞/复飞（Takeoff/Go-around，TO/GA）则按飞行阶段提供俯仰、横向和推力指引。它们是否允许 AP 接通、何时可以截获，以及能否自动着陆，都取决于机型构型和运行条件。[2][3][4][5][6][7][8][9][10]

推力一栏常见速度（Speed，SPD）、推力（Thrust，THR）、参考推力（Thrust Reference，THR REF）、慢车（Idle，IDLE）和保持（Hold，HOLD）等字样。SPD 通常表示自动推力在调节发动机以守住速度；在某些爬升或下降模式中，速度却由俯仰控制，而推力保持规定值。FMA 的三栏必须连起来读。[5][6][7][8][9][10]

具有代表性的机型模式

• 空客 A320、A330、A350
  ：除管理的 NAV、CLB、DES 外，常见速度基准系统（Speed Reference System，SRS）起飞/复飞指引和 FINAL APP 非精密进近模式；是否可用取决于机型标准与进近类型。[5][7][9]
• 波音 B737NG
  ：除 LNAV、VNAV、LVL CHG 等模式外，还设有驾驶盘操纵（Control Wheel Steering，CWS）。飞行员对驾驶盘或驾驶杆施力改变姿态，释放后系统保持新的姿态或运动状态；它不同于由 MCP 目标和制导指令主导的指令模式。[6]
• 波音 B777、B787
  ：VNAV PTH、VNAV SPD、VNAV ALT 等子模式把“跟路径、守速度或受高度约束”的内部状态直接显示出来，是理解 VNAV 模式转换的典型例子。[8][10]
• C919
  ：横向飞行管理系统着陆系统（Lateral FMS Landing System，LFLS）和垂直飞行管理系统着陆系统（Vertical FMS Landing System，VFLS）可为相应非精密进近提供引导；风切变（Windshear，WS）模式提供逃逸指引。C919 在模式耦合方式上明确区分：GA 可以与 AP 耦合，TO 和 WS 则由 FD 提供指引、需要飞行员操纵。[3]
• C909
  ：NAV、VNAV、FLC、VS 和 TO/GA 等名称与其他运输类飞机有较多共同词汇，体现了控制任务的共性；其接通条件与模式转换仍以 C909 的 FMA 和机型逻辑为准。[4]

模式按钮表达的是飞行员的意图，FMA 才表达系统已经接受并正在执行的状态。一个进近模式可能先预位，等飞机接近航道并满足截获条件后转为截获、接通；原来的航向、高度或垂直速度模式随之退出。FAA 的适航指导也特别关注模式转换的清晰显示、非预期变化、断开警告，以及 AP、FD 与自动推力之间的交互。[2]

这就是“模式意识”的核心：飞机可能完全正常地执行了一个模式，只是这个模式并不是飞行员以为正在工作的那个模式。

五、同一套原理，在不同类别客机上怎样落地？

不同飞机都要完成“选择目标—计算指令—驱动飞机—显示状态”的闭环，但产品定位、计算平台、控制面板和推力接口并不相同。为避免把任务类别与机身尺度混在一起，下面把 C909 单列为支线客机，再分别比较主流单通道窄体机、主流宽体机和新一代宽体机。

支线客机：C909 的应用软件托管路线

C909 的自动飞行控制系统（Automatic Flight Control System，AFCS）包括 AP、飞行制导（Flight Guidance，FG）、配平、偏航阻尼器（Yaw Dampers，YD）、AT 和系统监控等功能。它的飞行控制应用软件托管在综合处理系统（Integrated Processing System，IPS）中，飞行控制板（Flight Control Panel，FCP）用于模式和目标选择。[4]

在执行端，横滚和俯仰通道通过相应伺服机构（Servo）操纵副翼（Aileron）与升降舵（Elevator）。AT 通过油门杆控制组件（Thrust Control Quadrant，TCQ）中的伺服机构带动两根油门杆，在推力保持与速度保持等控制目标之间按模式工作。C909 这类的支线客机也可以采用综合计算平台托管自动飞行应用，而不是只能依赖一台独立的“自动驾驶计算机”。[4]

主流单通道窄体机：A320、B737NG 与 C919

A320 的两台飞行管理与制导计算机（Flight Management and Guidance Computer，FMGC）承担飞行管理、FD、AP 和 A/THR 计算。飞行控制组件（Flight Control Unit，FCU）与多用途控制和显示组件（Multipurpose Control and Display Unit，MCDU）分别提供短期目标选择和飞行计划输入。向外拉旋钮通常进入选择方式（Selected），向里推则进入管理方式（Managed）；A/THR 工作时，推力杆通常留在相应卡位。[5][11]

B737NG 的数字式飞行控制系统（Digital Flight Control System，DFCS）以方式控制面板（Mode Control Panel，MCP）为主要接口。两台飞行控制计算机（Flight Control Computer，FCC）分别形成 A、B 通道；FCC A 还承载自动油门（Autothrottle，A/T）功能。A/T 通过自动油门伺服马达（Autothrottle Servo Motor）实际带动推力杆移动，而 AP A 与 AP B 分别由 FCC A、FCC B 控制。[6]

C919 的飞行导引控制系统（Flight Guidance Control System，FGCS）把 AP/FD 功能托管在三台飞行控制模块（Flight Control Module，FCM）中。飞行模式控制板（Flight Mode Control Panel，FMCP）用于选择模式和目标，AP 计算出的载荷与角速度命令送给主飞行控制系统（Primary Flight Control System，PFCS）执行。自动推力由推力等级功能（Thrust Rating Function，TRF）、AT 和电子推力配平系统（Electronic Thrust Trim System，ETTS）协同完成；AT 通过油门台（Throttle Control Quadrant，TCQ）带动油门杆，并经全权数字式发动机控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）与发动机协同。[3]

三者的核心差异不是“能不能自动飞”，而是功能如何分区：A320 由 FMGC 集中管理飞行管理与制导，B737NG 以两台 FCC 构成 DFCS，C919 则把 AP/FD 托管于三台 FCM 并与 PFCS 深度协同。

主流宽体机：A330 与 B777

A330 的飞行管理、制导与包线系统（Flight Management Guidance and Envelope System，FMGES）包括两台飞行管理、制导与包线计算机（Flight Management Guidance and Envelope Computer，FMGEC）、三台 MCDU 和一套 FCU。每台 FMGEC 内部分为飞行管理（Flight Management，FM）、飞行制导（Flight Guidance，FG）、飞行包线（Flight Envelope，FE）以及故障隔离与探测系统（Fault Isolation and Detection System，FIDS）；其中 FG 部分输出 AP、FD 和 A/THR 指令。它延续了空客的管理/选择交互和推力杆卡位逻辑，但计算机还把包线计算与监控纳入同一设备。[7][11]

B777 的自动驾驶飞行指引系统（Autopilot Flight Director System，AFDS）使用左、中、右三台自动飞行指引计算机（Autoflight Director Computer，AFDC），MCP 是飞行员与 AFDS 的主要接口。推力管理计算机功能（Thrust Management Computer Function，TMCF）向 AFDC 提供自动油门数据；六个反驱作动器（Backdrive Actuator）通过机械连接带动两侧驾驶盘（Control Wheel）、驾驶杆（Control Column）和方向舵脚蹬（Rudder Pedal），使电传飞机在 AP 工作时仍能给飞行员提供可见、可触知的操纵机构运动。[8]

A330 的“双 FMGEC”与 B777 的“三 AFDC”说明：座舱更大、航程更远并不会自动决定一种计算机架构。宽体机需要更强的余度和全飞行阶段能力，但功能是集中于综合计算机，还是由专用自动飞行计算机与飞控系统协同，仍取决于整机设计哲学。

新一代宽体机：A350 与 B787

A350 的自动飞行系统（Auto Flight System，AFS）把飞行制导与包线系统（Flight Guidance and Envelope System，FGES）托管在主飞行控制计算机（Primary Flight Control Computer，PRIM）中，AP/FD 指令和 A/THR 目标均在 PRIM 内计算。三台飞行管理计算机（Flight Management Computer，FMC）采用主用、从属和备用方式；主 FCU 故障时，机组还可通过多功能显示器（Multi-Function Display，MFD）上的 AFS CP BACKUP 页面使用备份控制接口。[9]

B787 的自动飞行控制系统由 AFDS 和 A/T 组成，AFDS 包含三套自动飞行计算系统（Autoflight Computing System）及 MCP。相关软件能力进一步分为自动飞行功能（Autoflight Function，AFF）、推力管理功能（Thrust Management Function，TMF）和飞行管理功能（Flight Management Function，FMF）：MCP 是机组与 AFF 的主要接口，FMF 给出航迹与性能目标，TMF 据此设置发动机目标推力。[10]

与较早一代相比，A350 和 B787 更突出“功能托管与软件协同”：A350 把 FGES 放入 PRIM，B787 则以 AFF、TMF、FMF 描述功能之间的关系。C919 的 AP/FD 托管于 FCM，也体现了相同的综合化方向；但 PRIM、FCM 和自动飞行计算系统的功能边界并不相同，不能仅凭缩写或外观互相套用。

这些实现很难用“谁更先进”简单排序。专用计算机便于划清功能边界，综合平台有利于共享数据和减少设备；会移动的推力杆或操纵机构提供直观反馈，固定卡位则把杆位作为推力权限范围的选择。每一种方案都必须同时满足安全性、可理解性、重量、维护性和成本要求。

六、自动飞行系统怎样保证“可以信任，也可以退出”？

自动飞行系统的安全设计重点，不是宣称计算机永远不会出错，而是让故障能够被发现、被隔离，并在需要时让飞行员及时接管。

常见手段包括：

• 余度与独立监控。
   多个计算通道对输入、输出或内部结果进行比较；部分计算机还会从硬件、供电或软件层面对计算路径和监控路径实施隔离。
• 权限限制。
   自动驾驶发出的舵面或载荷命令受到边界约束，避免单一异常指令无限扩大。
• 明确断开。
   飞行员可以通过专用按钮或操纵输入断开系统；非正常断开必须以醒目的视觉和听觉方式提示。
• 故障降级。
   某些高级模式不可用时，基础模式或人工飞行能力仍可保留；具体降级层级由机型设计决定。
• 持续状态显示。
   FMA 让飞行员核对接通、预位和推力状态，避免只凭按钮灯或主观感觉判断。[2]

在双通道或多通道系统中，“两台计算机都在”也不意味着简单投票后取多数。它们可能分别承担控制与监控、主用与备用，或只在特定进近阶段同时参与。判断一种架构的关键，是看故障发生后飞机是否会产生危险偏离、系统能否及时告警，以及机组是否有足够时间和能力接管。

七、四个常见误解

误解一：接通 AP 后，飞机就完全无人驾驶。 不是。飞行员仍要选择或确认飞行目标，监控航迹、能量、天气、交通和系统状态，并随时准备干预。自动化减少的是持续操纵负担，不是运行责任。

误解二：FMS 里有航路，飞机就一定会沿航路飞。 不一定。航路必须经过正确的飞行指引模式调用，且相应模式已经接通。FMS 中“有数据”和 AP“正在跟踪”是两件事。

误解三：按下一个模式按钮，模式就已经生效。 不一定。它可能只是预位，等待高度、位置、航向或设备有效性等条件满足。应以 FMA 为准。

误解四：所有自动油门都会让推力杆移动。 不会。B737NG、C909、C919 和 B787 的自动油门会带动推力杆；A320、A330 和 A350 的 A/THR 则在推力杆所选卡位对应的权限范围内控制实际推力，杆位通常保持不动。[3][4][5][6][7][9][10][11]

结语

ATA 22 的核心并不是“让飞机自己飞”，而是把飞行员或 FMS 的意图，经过模式选择、制导计算、闭环控制和状态显示，可靠地转化为飞机动作。

从早期陀螺稳定器到今天的综合航电，自动飞行系统越来越擅长管理复杂轨迹，但最值得记住的原则仍然很简单：先明确目标，再确认模式，持续观察结果，并始终保留退出自动化、回到人工控制的能力。

术语小卡

• FMS / 飞行管理系统
  ：负责飞行计划、导航和性能计算，并向自动飞行系统提供轨迹或目标。
• FD / 飞行指引
  ：在飞行显示器上给出应采用的姿态或轨迹指令，本身不直接操纵舵面。
• AP / 自动驾驶仪
  ：根据制导指令计算并输出飞行控制命令。
• AT、A/T、A/THR / 自动油门或自动推力
  ：按机型定义控制推力或速度；缩写和推力杆运动方式并不统一。
• LNAV、NAV / 横向导航
  ：跟踪 FMS 计算的横向航迹；不同机型采用的显示名称不同。
• VNAV、CLB、DES / 垂直剖面管理
  ：利用 FMS 的高度、速度和性能数据管理爬升或下降；具体模式划分因机型而异。
• FMA / 飞行模式通告
  ：集中显示自动驾驶、飞行指引和推力系统当前接通或预位的模式。

资料来源

[1] Smithsonian National Air and Space Museum，The Secret History of Drones。

[2] FAA AC 25.1329-1C，Approval of Flight Guidance Systems, Including Change 2。

[3] C919 Technical Training Manual（ATA 22）。

[4] C909 Technical Training Manual（ATA 22）。

[5] A320 Technical Training Manual（ATA 22）。

[6] B737NG Aircraft Maintenance Manual — System Description Section（ATA 22）。

[7] A330 Flight Crew Operating Manual（ATA 22）。

[8] B777 Technical Training Manual（ATA 22）。

[9] A350 Technical Training Manual（ATA 22）。

[10] B787 Flight Crew Operations Manual（ATA 22）。

[11] Airbus Safety First，A Focus on the Landing Flare。