航天器儀表與照明分系統設計和發展

郭衛國

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

儀表照明系統是將載人航天活動中最核心的要素——飛行器和航天員緊緊聯系在一起共同完成使命的紐帶，是為保障飛行過程可靠、安全和支持航天員高效完成在軌飛行任務而設置的系統。

隨著航天技術以及航天員參與任務程度的發展，我國載人航天器儀表照明系統也相應經歷了以下3個發展階段：

第一階段適應于驗證基本有人參與航天技術的任務目標，為航天員完成對航天器飛行狀態的觀察和簡單的操作提供支持，已于載人一期工程中實現。

第二階段適應于天地往返運輸以及掌握交會對接技術等目標，為航天員操縱、控制航天器的飛行以及處理飛行器故障提供支持，達到完整服務于人控飛行的目標，已在載人二期工程中實現并處于應用階段。

第三階段為航天員在軌完成各類空間科學研究、實驗任務，乃至空間生產、加工和開發提供支持，達到服務于空間應用的目標，目前正隨載人三期工程開展調研論證及設計開發工作。

1 一期儀表與照明分系統設計

天飛行試驗，經過十多年的技術開發、數據積累和試驗驗證，逐步形成了具有中國特色的有人航天飛行器系列。經過一期工程多艘飛行器的設計研制和飛行試驗，相繼實現了有人飛行、多人多天飛行以及出艙活動一系列重大技術突破。

此階段分系統對應任務需求分析，設計劃分了顯示、手控和照明子系統，分別實現了為航天員提供飛行器信息功能、手動操作控制功能以及艙內、外活動照明支持。

1.1 顯示子系統

顯示子系統設計為主-從式結構，數據通過信息處理系統后發送到顯示終端。“從”信息處理顯示系統接收“主”系統發送的信息，為航天員提供更為豐富的信息顯示，并便于航天員在飛行器內被束縛的情況下盡可能全面、便捷地監測到飛行器各類重要信息。

為適應力、熱及電磁等空間環境，飛行器計算機處理系統通常主要使用已在軍工產品中廣泛使用的 80C32等芯片。一期顯示子系統經過充分的地面考核和驗證，主信息處理系統使用 PC104芯片，核心處理速度達33 MHz，并通過雙機熱冗余設計實現在軌可靠工作。同時，輔助顯示系統使用80C32芯片，與主系統采用主-從式架構設計，

我國自20世紀90年代末開始有人參與的航基本滿足了一期飛行器信息處理需求和在軌可靠性要求。

受當時國內技術、工業水平等的限制，顯示終端主要使用國外進口的液晶顯示屏組件，其對空間適應能力不強、可靠性較低且內部設計不透明，在使用中困難較多。同時由于進口器件的限制，極大地制約了顯示終端的能力提升和后續發展。此階段后期，分系統經過調研和分析，與相關技術方開展了技術合作和攻關，最終成功搭載驗證了國產空間液晶顯示終端。

1.2 手控子系統

一期手控子系統各操作控制內容主要通過在各操作面板上設立各類按鍵、撥鈕和開關等來實現操控指令輸出的功能。操控指令安全性要求較高，因此各操作界面、指令鏈路等對應進行了冗余備份、防誤操作設計，在操作界面設置清晰明了的提示，并對應航天員操作設計了聲音、燈光等反饋提示。

1.3 照明子系統

經過調研、分析當時可用的各類照明技術和設施，包括航空照明、軍用照明等，結合航天器能源供給能力，最終設計使用了熒光照明系統，解決了該類照明的高壓啟動、電磁干擾、防眩光及空間環境適應等難點，并通過大量的地面測試、試驗驗證，實現了飛行器內照明。

圖1 儀表與照明分系統工作方式Fig.1 Working block diagram of the instrument and lightening subsystem

此階段后期，根據出艙活動需求，經過調研論證及當時技術情況，在國內、外首次設計采用LED照明作為飛行器外空間環境下的航天員出艙活動照明，能滿足短時間、高可靠等出艙活動要求。

2 二期儀表與照明分系統設計

隨著載人二期工程航天任務的開展，在有人參與飛行試驗的基礎上，主要目標為驗證實現在軌交會對接功能，須實現多飛行器組合后的信息顯示及報警提示，且信息處理量較一期工程大為增加，指令操作需求也相應增多。儀表與照明分系統對應飛行任務需求的變化，在一期分系統設計經驗總結的基礎上，進行第二階段的設計開發和研制驗證工作。

2.1 分系統任務及組成

二期儀表與照明系統的主要任務是為飛行器和航天員提供信息顯示提示、手控指令操作手段以及工作生活照明環境。

對應任務需求，繼承一期儀表照明分系統設計[1]及參考航空儀表設計[2]，二期分系統設計組成仍主要分為顯示子系統、手控子系統和照明子系統，對應承擔顯示和語音通報報警任務、編碼手控指令發送任務、艙內工作區照明和航天員個人休息區照明任務。另外還為航天員提供音頻播放、視頻播放、閱讀、游戲等功能，滿足航天員的生活娛樂需求。

儀表與照明分系統組成及工作方式如圖 1所示。

2.2 顯示子系統

信息顯示處理系統對應長期在軌工作及可靠冗余需求，在二期采用主-備結構，設計實現了 3層備份顯示系統。

第一層為主顯示系統，包括主信息處理系統、獨立的液晶顯示終端及航天員操作界面。航天員通過液晶顯示終端監測信息顯示界面，并可通過操作界面終端進行選擇操作。

第二層為備份顯示系統，集成小型計算機系統和液晶顯示屏，負責信息接收和處理，向航天員提供信息顯示界面，并可通過設備表面按鍵進行選擇操作。在主顯示系統故障時，備份顯示系統可實現外部數據通信、數據接收處理、顯示組織管理、發聲等任務，確保了航天員在故障情況下仍可及時準確地獲知飛行器信息。

第三層為獨立顯示系統，由獨立的機械式艙壓顯示設備實現，通過機械式表盤、指針為航天員提供獨立艙壓顯示，保證了在飛行器能源、信息系統等重要功能故障的情況下，仍可使航天員及時獲知涉及生命安全的艙壓信息。

2.3 手控子系統

對應手控指令操作需求的增加，二期手控子系統主要以編碼形式將指令傳送至飛行器上總線，經總線送至對應的執行終端，相較一期節省了大量面板資源，并提升了指令發送能力。該系統利用面板上的按鍵和液晶顯示屏與航天員進行交互及操作反饋。對應手控操作內容信息量大且安全要求較高的需求，手控子系統主要加強了指令發送的可操作性和安全性設計：

1）手控指令發送可操作性設計編制了多種指令發送方式，便于航天員查找、確認和發送；

2）手控指令發送安全性設計是為防止航天員操作誤發指令及意外觸碰導致誤發指令，在手控指令發送過程中，設計了檢查確認功能，經核實無誤才可發送指令；

3）手控指令發送確認鎖定保護設計是在發送手控指令進行檢查確認時，將鎖定手控操作控制系統設備此時的后續按鍵操作為無效，待確認檢查無誤后才能進行下一步按鍵操作，以避免快速連續按鍵導致跳過確認步驟而誤發指令。

4）設備密碼鎖定保護設計是將手控操作控制系統設計為啟動后默認進入鎖定狀態，必須正確輸入解鎖密碼后，才可進行手控指令發送操作，并在無操作輸入情況持續一定時間后，自動進入鎖定狀態，以避免在軌誤觸碰導致誤發指令。

2.4 照明子系統

在一期飛行器外空間照明技術驗證的基礎上，二期分系統飛行器內照明也采用LED照明技術，增加電源變換、環境照明、開關控制和亮度調節等功能，并經過設計和驗證，滿足（空間飛行）長壽命、高可靠的需求。

根據飛行器內各任務、休息區域的照度需求，綜合考慮燈體的器件數量、分布情況、恒流源設計的要求及發光二極管的失效模式，將發光二極管進行串聯、并聯以及冗余備份設計。單燈使用多顆LED發光二極管器件作為發光光源，將多顆光源獨立分組，每組光源采用串聯加并聯的連接方式（圖2），且兩組可互為備份，并分別由對應的兩組相互獨立的恒流電源進行恒流供電和亮度控制。

圖2 LED串并聯設計示意圖Fig.2 The LED series-parallel connection design

針對LED發光亮度高的特點，各照明燈前表面設計使用了漫反射型光學窗口，該光學窗口外表面光潔，內表面進行噴砂處理，在實現防眩光功能的同時，還能提高照明燈中心光強。

2.5 人機工效設計及安全性設計

儀表與照明分系統的顯示、操作和照明設備直接面向航天員，進行人機工效設計對方便航天員的使用，提高其工作效率，減少操作失誤有很大作用[3]。借鑒工業設計中大量成熟的人機工效產品設計經驗[4]，二期儀表與照明分系統加強了人機工效及安全性設計，主要包括以下幾點：

1）各儀表設備操作接口設計，包括各設備按鍵操作、開關操作接口等，操作方式簡便，提示信息明確；

2）各顯示設備顯示界面設計，包括字體、布局、配色等設計內容，保證航天員準確、便利地獲得所需信息；

3）儀表各設備協同工作工效設計，包括光、聲以及各顯示屏配合顯示設計內容，以多種方式實現對航天員的信息提示；

4）人機界面以及所有航天員可觸及的結構外表面沒有危及航天員安全的隱患；

5）手控指令的發送設計了防誤操作措施，并設計了清晰明確的提示，保證航天員安全、可靠地完成手控操作；

6）照明環境設計按照航天員工作、睡眠等功能區域分別安排了工作區照明和休息區照明，以滿足各功能區域對照明的不同需求，并經過試驗確定使用數量和安裝位置。

另外，針對分系統設計進行可靠性模型分析、故障模式分析，確保系統的安全可靠和航天員使用安全[5-6]。

3 二期主要技術應用分析

二期儀表與照明分系統通過技術開發和新產品應用，較大地提升了儀表與照明分系統性能，并為后續航天器任務進行了技術應用和驗證。主要包括計算機系統能力的提升、大屏幕國產空間用液晶顯示技術的應用以及LED照明技術能力的進一步提升。

3.1 高性能計算機系統技術

二期系統中飛行信息顯示、處理需求量大為增加，顯示人機工效需求提升，一期的信息處理系統已不能滿足更加人性化及大信息量的處理需求。儀表與照明分系統經過技術調研和大量的地面驗證，設計使用了以 PC8245型 CPU為核心、配備 M9顯示處理系統的高性能雙機熱備份信息處理系統，并根據硬件定制配備系統軟件，系統核心處理速度大于200 MHz，極大地提升了信息顯示處理能力以及圖形化信息的處理能力。該系統通過總線接口接收顯示、事件等數據信息，經過CPU模塊的解算處理后，通過設備內部 CPCI總線送至顯示驅動模塊，進行2D加速處理后，通過驅動液晶顯示終端進行信息顯示提示。對應空間環境需求和航天產品元器件要求[7]，為保證器件、設備的在軌可靠工作和適應性，專門制定了相應的器件質量保證方案，設計了篩選方案、驗證試驗，并通過系統冗余設計，提高了產品的可靠性和使用壽命。

3.2 大屏幕液晶顯示技術

二期儀表與照明分系統繼續使用國產液晶顯示技術，對應技術發展和任務需求進行了開發研制和能力提升，首次使用了15英寸大屏幕國產空間用液晶顯示屏。

傳統液晶顯示器主要采用CCFL作為背光源，在低氣壓和真空環境下，其壽命、抗震動沖擊等性能都難以達到本系統環境應用的要求。同時CCFL燈管含有汞等有毒物質，燈管破裂會導致汞蒸氣的揮發，危及航天員的身體健康和安全。CCFL發光成分中還包含有紫外部分，會對光學膜、液晶面板產生老化效應，影響液晶顯示器的使用壽命，且CCFL燈管壽命相對較短，難以滿足空間用液晶顯示器長壽命的要求。國產液晶顯示器通過設計研制，采用LED作為背光源，使用LED側光式背光技術，實現了背光系統的小型化，且驅動電壓要求單一、可靠性高、電磁兼容性好，比采用CCFL作為背光源更加適合應用于二期航天任務，并可滿足在低氣壓條件下工作的需求。另外，通過棱鏡膜設計收集分散的反射光和折射光，集中到液晶屏中心軸線附近，提高液晶屏的中心亮度，并通過開發使用的層疊玻璃加固技術、結構散熱設計、液晶屏防飛濺技術等，滿足了在軌力、熱等空間環境需求和在軌安全性需求。

3.3 LED照明技術

一期使用的熒光光源能耗高、可靠性低、啟動電壓高且壽命短。在二期工程中，由于在軌工作時間的增長以及能源系統的限制，儀表與照明分系統在一期飛行器外空間LED照明技術基礎上，經過調研分析及地面驗證，最終使用了具有壽命長、體積小、效率高、抗震性能佳、響應速率快、驅動電壓低等優點的LED照明光源[8]。

由于目前LED產品不是專為航天任務研制，其性能還不能完全滿足航天任務的需求。為此，對空間LED照明設備采用的高亮度白光LED光源進行了技術改進，并針對航天任務用器件標準制定了嚴格的篩選技術條件，保證了器件的可靠性。在照明設備設計中，使用多顆LED器件，經結構設計、串并聯設計、光學系統設計、降額設計、防眩光設計，達到了長壽命、高可靠性的空間照明需求，滿足了人機工效設計要求。

另外，針對LED的特點，設計研制了恒流源供電系統，使用瞬態干擾和過應力保護設計，輸入/輸出均設有濾波電路，使外部對電源模塊的干擾得到抑制。

4 發展前景展望

我國后續載人三期工程航天器由多艙段組合構成，并長期在軌運行，期間與多個飛行器對接，且有不同的航天員在軌工作、生活，由于航天員在軌工作、生活時間更長，信息監測、處理需求更多，不同時期的任務變化需要信息交互功能對應調整更新。儀表與照明分系統須對應任務環境和需求的變化，并結合國外相關技術應用情況及故障經驗[9-10]，在系統層面上優化設計、提升能力，實現第三階段的分系統任務。

4.1 標準化接口綜合顯示系統

三期儀表綜合顯示系統層面須設計實現系統架構、組成和功能分配，以及系統接口的標準化，為綜合顯示系統的多媒體人機交互、高性能顯示終端、軟件功能在軌維護等技術實現建立系統基礎和架構，并在系統設計層面上解決新技術應用、系統重組、在軌排故/維護等難點。

為適應后續的長期在軌工作任務，儀表綜合顯示系統功能組成單元須實現平臺化和小型化，以支持系統的在軌重組、維護維修，重點為計算機平臺和底層支持軟件平臺。由于多艙段對接，該系統硬件、軟件平臺應實現接口統一、功能可擴展的技術，且應具備便于航天員在軌操作和在軌維護的能力。

對應后續的多任務需求情況，儀表綜合顯示系統須具備軟功能在軌維護、更新的能力，以實現綜合顯示系統的功能調整、任務配置更新；并具備地面注入更新、航天員在軌操作更新的能力。該技術須實現天地傳輸中可能出現的數據幀損壞時的自動識別和保護，天上設備在更新錯誤情況下的自保護措施和自恢復技術。同時對于航天員在軌操作更新，須設計便于航天員在軌操作的方法，并具有操作過程中出現問題時的保護恢復能力。

4.2 高性能高可靠計算機系統平臺

在三期任務中可采用技術更新、性能更好的硬件平臺，進一步提高航天員工作的舒適性，減少人為錯誤的發生。隨著地面高性能處理器的發展更新，在二期高性能PC8245型處理器應用試驗的基礎上，對應后續信息處理需求，須進一步開發驗證高性能計算機系統平臺。平臺化高性能計算機系統支持海量信息處理、存儲，多媒體技術，多任務運行和調度、任務間同步與通信以及系統重組。

同時，在二期航天員娛樂用個人計算機考核驗證的基礎上，在后續設計中配備輔助信息處理系統，采用高性能筆記本計算機，輔助進行三維視圖、視頻、維修維護支持、故障報警提示等任務，為航天員提供更加便捷、智能、準確和舒適的信息服務。

4.3 高性能顯示系統終端技術

為滿足后續航天器任務大信息量顯示需求以及高速信息系統網絡的海量數據處理需求，須在前期基礎上，進一步實現高性能的顯示終端技術，研制大屏幕觸摸式液晶顯示屏，并具備支持高速、高清圖像顯示的能力。觸摸式顯示屏還未在國內航天產品上應用，須突破該類型液晶顯示器在航天工作環境下的可靠性、安全性設計難點，以及對應后續航天器任務的長壽命設計難點。須同時實現航天員在軌操作時人員和設備的保護技術。

4.4 智能化多媒體人機交互技術

對應后續航天器大容量的信息內容，須給予航天員更加智能和人性化的顯示提示界面。因此人機交互技術須在顯示提示的基礎上，實現配合顯示的視頻、音頻、燈光等綜合交互界面，以多種方式實現與航天員的動態交互。并在后續航天器所能提供的資源配置情況下，提升現有的綜合信息交互技術。另外通過虛擬儀表顯示、三維模型顯示等技術開發和使用，在高性能計算機系統平臺及輔助平臺上，進一步提供智能、高效的人機交互技術。

4.5 進一步發展空間LED照明技術

在前期LED照明技術基礎上，繼續提升空間照明技術能力，針對各種不同任務需求設計開發照明系統，以滿足后續任務外部活動空間的擴大、構型的復雜性、航天員在軌及外部空間任務的復雜性和多樣性等需求[11]。

5 結束語

儀表與照明分系統是航天器中最具有航天員參與特點的分系統之一，其顯示、手控和照明子系統所使用的許多器件和技術新穎、獨特且趨于相關技術領域的前沿，沒有在我國航天器中應用和考核的歷史，欠缺相應的可靠性和環境適應性數據積累。經過一期和二期工程任務的逐步摸索和建設，我國航天器儀表與照明技術日趨成熟，部分技術在國內、外已處于領先地位。

三期工程是一個新的機遇和挑戰，儀表與照明分系統也對應新的任務需求，不斷開發采用新技術、新產品，提升系統平臺性能，在高效、智能、可靠、安全、人性化設計上更進一步，更好地為航天員搭建一座與飛行器信息溝通的橋梁。

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