Nicht alle heute fliegenden Passagierflugzeuge verfügen über ein Autopilot-System. Vor allem ältere und kleinere Flugzeuge der Allgemeinen Luftfahrt werden noch von Hand geflogen, und auch kleine Verkehrsflugzeuge mit weniger als zwanzig Sitzplätzen können ohne Autopilot sein, da sie auf Kurzstreckenflügen mit zwei Piloten eingesetzt werden. Der Einbau von Autopiloten in Flugzeugen mit mehr als zwanzig Sitzplätzen wird in der Regel durch internationale Luftfahrtvorschriften vorgeschrieben. Bei Autopiloten für kleinere Flugzeuge gibt es drei Steuerungsebenen. Ein einachsiger Autopilot steuert ein Flugzeug nur in der Rollachse; solche Autopiloten werden umgangssprachlich auch als „Flügelnivellierer“ bezeichnet, was auf ihre einzige Fähigkeit hinweist. Ein zweiachsiger Autopilot steuert ein Flugzeug sowohl in der Nick- als auch in der Rollachse und kann wenig mehr als ein Flügelnivellierer mit begrenzter Fähigkeit zur Korrektur von Nickschwingungen sein; oder er kann Eingaben von den bordseitigen Funknavigationssystemen empfangen, um eine echte automatische Flugführung zu bieten, sobald das Flugzeug gestartet ist, bis kurz vor der Landung; oder seine Fähigkeiten können irgendwo zwischen diesen beiden Extremen liegen. Ein dreiachsiger Autopilot steuert zusätzlich die Gierachse und ist in vielen kleinen Flugzeugen nicht erforderlich.
Autopiloten in modernen komplexen Flugzeugen sind dreiachsig und unterteilen einen Flug in der Regel in die Phasen Taxi, Start, Steigflug, Reiseflug (Horizontalflug), Sinkflug, Anflug und Landung. Es gibt Autopiloten, die alle diese Flugphasen außer Taxi und Start automatisieren. Eine autopilotgesteuerte Landung auf einer Landebahn und die Steuerung des Flugzeugs beim Rollout (d. h. das Halten auf der Mitte der Landebahn) wird als CAT IIIb-Landung oder Autoland bezeichnet und ist heute auf den Landebahnen vieler Großflughäfen möglich, insbesondere auf Flughäfen, die ungünstigen Wetterphänomenen wie Nebel ausgesetzt sind. Die Steuerung von Landung, Rollout und Taxi zur Parkposition des Flugzeugs wird als CAT IIIc bezeichnet. Diese wird bisher nicht verwendet, kann aber in Zukunft zum Einsatz kommen. Ein Autopilot ist oft ein integraler Bestandteil eines Flight Management Systems.
Moderne Autopiloten verwenden Computersoftware zur Steuerung des Flugzeugs. Die Software liest die aktuelle Position des Flugzeugs und steuert dann ein Flugsteuerungssystem, um das Flugzeug zu führen. In einem solchen System sind neben der klassischen Flugsteuerung viele Autopiloten mit einer Schubregelung ausgestattet, die die Drosselklappen zur Optimierung der Fluggeschwindigkeit steuern kann.
Der Autopilot in einem modernen Großflugzeug liest seine Position und die Fluglage typischerweise von einem Trägheitsführungssystem ab. Inertiale Lenksysteme akkumulieren mit der Zeit Fehler. Sie enthalten Systeme zur Fehlerreduzierung, wie z. B. das Karussellsystem, das sich einmal pro Minute dreht, so dass alle Fehler in verschiedene Richtungen abgeleitet werden und insgesamt einen Null-Effekt haben. Fehler in Gyroskopen werden als Drift bezeichnet. Dies ist auf physikalische Eigenschaften innerhalb des Systems zurückzuführen, sei es mechanisch oder lasergesteuert, die die Positionsdaten verfälschen. Die Unstimmigkeiten werden mit digitaler Signalverarbeitung, meist einem sechsdimensionalen Kalman-Filter, behoben. Die sechs Dimensionen sind in der Regel Roll, Nick, Gier, Höhe, Breitengrad und Längengrad. Flugzeuge können Routen fliegen, die einen geforderten Leistungsfaktor haben, daher muss die Höhe des Fehlers oder der tatsächliche Leistungsfaktor überwacht werden, um diese bestimmten Routen zu fliegen. Je länger der Flug dauert, desto mehr Fehler sammeln sich im System an. Funkhilfen wie DME, DME-Updates und GPS können zur Korrektur der Flugzeugposition verwendet werden.
Control Wheel SteeringEdit
Eine Option auf halbem Weg zwischen vollautomatischem Flug und manuellem Fliegen ist Control Wheel Steering (CWS). Obwohl es als eigenständige Option in modernen Flugzeugen immer weniger genutzt wird, ist CWS auch heute noch eine Funktion in vielen Flugzeugen. Im Allgemeinen hat ein Autopilot, der mit CWS ausgestattet ist, drei Positionen: Aus, CWS und CMD. Im CMD (Command)-Modus hat der Autopilot die volle Kontrolle über das Flugzeug und erhält seine Eingaben entweder von der Kurs-/Höheneinstellung, von Funk und Navaids oder vom FMS (Flight Management System). Im CWS-Modus steuert der Pilot den Autopiloten durch Eingaben am Joch oder am Steuerknüppel. Diese Eingaben werden in einen bestimmten Steuerkurs und eine bestimmte Fluglage übersetzt, die der Autopilot dann hält, bis er anderweitig angewiesen wird. Dies sorgt für Stabilität in Nick und Roll. Einige Flugzeuge verwenden eine Form von CWS auch im manuellen Modus, wie z.B. die MD-11, die einen konstanten CWS im Roll verwendet. In vielerlei Hinsicht ist ein modernes Airbus Fly-by-Wire Flugzeug im Normal Law immer im CWS Modus. Der Hauptunterschied besteht darin, dass in diesem System die Grenzen des Flugzeugs vom Flugcomputer überwacht werden und der Pilot das Flugzeug nicht über diese Grenzen hinaus steuern kann.
Details zum Computersystem
Die Hardware eines Autopiloten variiert zwischen den Implementierungen, wird aber im Allgemeinen mit Redundanz und Zuverlässigkeit als Hauptüberlegungen entwickelt. Zum Beispiel verwendet das Rockwell Collins AFDS-770 Autopilot Flight Director System, das in der Boeing 777 eingesetzt wird, dreifach verifizierte FCP-2002-Mikroprozessoren, die in einem strahlungsresistenten Prozess hergestellt werden.
Software und Hardware in einem Autopiloten werden streng kontrolliert, und es werden umfangreiche Testverfahren eingesetzt.
Einige Autopiloten verwenden auch Design-Diversity. Bei diesem Sicherheitsmerkmal laufen kritische Software-Prozesse nicht nur auf getrennten Rechnern und möglicherweise sogar mit unterschiedlichen Architekturen, sondern auf jedem Rechner läuft Software, die von verschiedenen Ingenieurteams erstellt und oft in unterschiedlichen Programmiersprachen programmiert wurde. Es wird im Allgemeinen als unwahrscheinlich angesehen, dass verschiedene Entwicklungsteams die gleichen Fehler machen werden. Da die Software immer teurer und komplexer wird, wird die Designvielfalt immer seltener, da sich immer weniger Ingenieurbüros dies leisten können. Die Flugsteuerungscomputer auf dem Space Shuttle nutzten dieses Design: Es gab fünf Computer, von denen vier redundant mit identischer Software liefen, und ein fünftes Backup, auf dem eine unabhängig entwickelte Software lief. Die Software auf dem fünften System stellte nur die grundlegenden Funktionen bereit, die für den Flug des Shuttles benötigt wurden, was eine mögliche Gemeinsamkeit mit der Software, die auf den vier primären Systemen lief, weiter reduzierte.