淺談教練機座艙顯示與控制技術

曾慶云，孟 軍，朱俊云，樊 偉

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛行環境復雜性的日益增加、飛機性能的逐步提升、航空電子綜合化程度的提高，座艙顯示的信息量變大，在座艙顯示與控制的設計方面，不僅要求信息顯示直觀、易讀、實時性好；而且要求控制操作簡單、精度高。同時，座艙顯示與控制的設計好壞,直接關系到飛行員能否做出正確的判斷、決策以及合理的控制,從而保障飛行員的安全、確保任務的順利完成。為此，本文主要從座艙顯示與控制兩方面介紹了座艙人機交互界面設計。

1 需求分析

飛機從起飛到著陸的整個過程中，一般要執行導航、搜索、跟蹤、瞄準以及攻擊等任務，在這些任務的執行過程中，座艙顯示與控制的設計為飛行安全提供保障、為任務完成提供支持，同時減輕飛行員負荷。

1）為飛行安全提供保障

在整個飛行過程中，教練機座艙顯示與控制為飛行員實時提供準確、直觀、易讀的航向、高度、速度、俯仰、橫滾、過載、攻角等飛行信息以及飛機系統狀態、告警信息，為飛行安全提供保障。

2）為任務完成提供支持

未來作戰模式將向遠距打擊和信息對抗為主轉化，教練機座艙顯示與控制以提供周邊態勢情況為主，配合以攻擊、防御、通訊、導航、識別、外掛等信息顯示，為任務完成提供支持。

3）減輕飛行員負荷

隨著飛行環境日益復雜，飛機性能的提升，以及飛機功能的增加，飛行員的負擔也逐步加重，越來越多的功能選擇和操作模式將導致經驗不豐富的飛行員在面臨緊急任務時無所適從。飛行員需要哪些信息？這些信息如何顯示有利于飛行員的理解？如何減輕飛行員負荷？這都是座艙顯示與控制設計必須關注并迫切解決的問題。

2 顯示與控制設計

2.1 顯示與控制架構設計

如圖1為教練機顯示與控制架構，該架構主要由顯示和控制兩部分組成，顯示部分主要包括衍射平顯、大屏顯示器、頭盔瞄準具，控制部分包括雙桿、上前方控制面板、航空電子啟動板等。此外還有兩臺互為備份的顯示控制處理機。該顯示與控制系統可顯示整個飛機的飛行參數、系統狀態、任務數據、態勢信息、視頻信息等，提供綜合顯示、集中控制人機交互方式。

圖1 教練機顯示與控制架構

2.2 顯示與控制設備

目前三代機座艙主要顯示設備為平顯、頭盔、下顯，控制設備主要是上前方控制面板、多功能顯示器周邊鍵等。

2.2.1 顯示設備

1）平顯與頭盔顯示器

平顯是將飛行參數、瞄準攻擊、自檢測等信息以圖形、字符的形式，通過光學部件投射到座艙正前方組合玻璃上的光/電裝置。由于光學系統將所顯示的信息成像于無窮遠處，因此可以使飛行員幾乎不用改變眼睛焦距，即可方便觀察飛行參數等相關信息。此外，紅外、電視攝像機拍攝的視頻圖像可以以光柵模式投影到平顯上。為了增大平顯視場、提高顯示亮度和外景透光率，美國休斯頓飛機公司首先研制出衍射平顯（主要變化是使用全息透鏡替代組合玻璃）。

頭盔顯示器可以理解為“安裝在頭盔上的平顯”，雖然本身視場有限，但由于安裝在頭盔上，其視野隨著頭部的轉動而轉動，視野大。頭盔顯示器既具有顯示數據信息、圖像信息的功能，又具有測量頭盔瞄準線位置的功能。此外，采用圖像增強器或夜視攝像機等裝置探測到的圖像可在頭盔顯示器上疊加顯示，頭盔顯示器便可實現夜視功能。

頭盔瞄準具是顯示瞄準標記或十字線的一種簡單的光學裝置。用于測量指向目標的瞄準線(LOS)方位，從而確定目標的位置。

平顯與頭盔顯示器相比較如下：

（1）平顯精度高，適用于非制導武器投放

平顯技術已經非常成熟，影響精度的因素已經控制得非常精確，目前平顯輸出的精度在視場中心優于0.1~lmrad，邊緣精度為1.5~2mrad。頭盔顯示器的精度分為光學精度和跟蹤精度，頭盔顯示器的光學精度與平顯類似，頭盔顯示器的跟蹤精度，隨離軸角的增加，在頭部活動框的邊緣迅速降低（主要是由于頭盔顯示器在整個頭部運動框內對風擋玻璃誤差補償困難），在大離軸角精度降至8~10mrad，精度較平顯低。

平顯精度高，安裝時與機軸進行過校靶，而且制導武器的瞄準與彈道計算都是以機軸為基準的，因此平顯適用于投放非制導武器。

（2）頭盔顯示器捕獲目標快，適用于導彈離軸角發射

雖然頭盔顯示器的瞄準精度大大低于平顯，但是投放制導武器不需要很高的瞄準精度。

飛行員通過頭盔顯示器進行目視搜索和跟蹤目標時，導彈及相關的傳感器可以快速地隨動到目標的位置，截獲目標后可立即離軸發射導彈，而且頭盔顯示器視場大、能靈活轉動，滿足大離軸角搜索、跟蹤、瞄準和發射，從而改善人機接口關系，減輕飛行員的工作負擔，提高作戰效率。

（3）平顯占用座艙安裝空間

平顯一般安裝在儀表板的中上部，占用了儀表板上最好的空間，這一高價值的空間最好用于更有效能的戰術態勢情況顯示。而頭盔顯示器則戴在飛行員頭上，不占用儀表板的空間。

（4）頭盔顯示器視野大

頭盔顯示器雙目視場為 40°（方位）×30°（俯仰），瞄準線的測量范圍為±135°（方位） 和±85°（俯仰），而平顯的總視場為 26°（方位）×23°（俯仰）。

2）下顯

下顯的顯示器件分類方法多種多樣，按顯示器的結構形式可分為陰極射線管（CRT）顯示器和平板顯示器。平板顯示器包括液晶顯示器(LCD)、發光二極管（LED）、有機發光二極管（OLED）、電子發光顯示器（ELD）等，平板顯示器具有完全平面化、分辨率高、輕、薄、省電等特點，符合未來圖像顯示器發展的必然趨勢。

目前,平板顯示器主要是液晶顯示器(LCD)和有機發光二極管（OLED），其中OLED被視為21世紀最有前途的產品之一，OLED具有如下優點：

（1）厚度薄，重量輕；

（2）為固態結構，沒有液態物質，因此抗震性能更好，不怕摔；

（3）幾乎沒有角度的限值問題，即使在很大的視角下觀看，畫面仍然不失真；

（4）響應時間是LCD的1/1000,顯示運動畫面無拖影的現象；

（5）低溫特性好，在-45°C時仍能正常顯示，而LCD則無法做到；

（6）制造工藝簡單，成本低廉；

（7）發光效率更高，能耗比LCD要低；

（8）能夠在不同材質的基板上制造，可以做成能彎曲的柔然顯示器。

由于液晶分子各向異性，對于不同的入射光，反射率不相同，因此視角較小，只有30~40°，對比度受視角影響較大，隨著視角的增大，對比度下降。液晶的響應受環境影響，低溫時響應速度較慢，溫度過低則液晶會結晶；高溫會破壞液晶的定向層，溫度過高時，液晶態會消失。2.2.2控制設備

目前高級教練機的座艙控制設備主要包括航空電子啟動板、上前方控制面板、多功能顯示器周邊鍵、雙桿以及座艙內的一些開關、按鈕。

1）航空電子系統啟動板

為簡化飛行員操作程序，所有航空電子分系統的啟動都通過一塊智能化的航空電子啟動板來完成。航空電子系統啟動板控制各航空電子分系統及設備的上電和下電，提供系統及設備通斷狀態信號指示，控制飛機視頻記錄器記錄方式等。

2）上前方控制面板

上前方控制板位于飛行員正前方，是一塊可平視操縱的顯示板，用于裝訂或改變航空電子系統的工作參數與選擇工作方式等，顯示系統工作方式、飛控系統狀態等。上前方控制板還可以控制平顯的高壓電源和亮度調節，控制備份環開關和亮度調節。

3）多功能顯示器周邊鍵

多功能顯示器周邊鍵是可以通過計算機軟件設定其控制功能，周邊鍵的控制功能可隨著顯示畫面的改變而改變。多功能顯示器周邊鍵用于畫面切換、數據加載、修改、系統或設備的自檢等。

4）雙方雙桿

雙桿上集中了一些重要的控制器 （例如作戰中必須操作的開關、按鈕等）。在時間緊迫的作戰階段，飛行員兩眼平視、兩手握桿即可完成戰斗任務。

2.3 顯示信息與控制任務分類

2.3.1 顯示信息分類

為了給飛行員準確提供本機狀態和周邊態勢情況的信息，需要在座艙內顯示的信息極為豐富。按其功能劃分，現代高級教練機座艙顯示信息設計通常包括以下9類。

1）態勢信息

態勢信息顯示，即戰術信息平面視圖顯示，包括地面陣地、飛機探測設備搜索范圍、本機防御能力信息提示、本機位置、航線、活動地圖、威脅、目標、敵友機等。

2）攻擊信息

攻擊信息主要包括顯示打算攻擊的威脅目標信息，以及武器的使用信息、射擊清單、目標航跡、導彈發射包線、武器控制提示符號和導彈飛行路線符號等。

3）通信、導航、識別信息

通信、導航、識別信息主要包括顯示通信設置，修改參數信息、無線電導航飛行引導信息、敵我識別信息。

4）外掛信息

外掛信息主要包括武器投放程序信息、武器外掛配置信息、以及投放物狀態信息。

5）飛行狀態信息

飛行狀態信息主要包括飛機飛行姿態、航向、高度、空速等信息。

6）視頻圖像

視頻圖像信息主要由攝像頭、紅外、電視成像系統以及地面目標成像的雷達SAR（合成孔徑雷達）產生。

7）非航電信息

非航電信息主要包括飛控、發動機、燃油、電源、起落架、液壓剎車、機電管理等信息。

8）告警和提示信息

告警和提示信息主要包括飛機狀態、攻擊、防御告警提示信息等。

9）維護信息

維護信息主要包括各系統或設備故障代碼、首發時間、持續時間、發生次數、安裝誤差、軟件版本號等。

2.3.2 控制任務分類

座艙控制設計中，通常要基于座艙控制任務需求進行。高級教練機座艙控制任務主要包括如下6類：

1）綜合任務控制

（1）系統工作模式的控制

（2）任務數據加載和修改

（3）目標優先級的人工設定

（4）武器系統的人工配置

（5）訓練模式的啟動

（6）通信、導航、識別參數的設定

2）飛行控制管理系統模式控制

（1）自動駕駛接通、斷開

（2） 姿態/航向保持子模態（ATT）

（3）高度保持子模態(ALT)

（4） 人工超控子模態（CSS）

（5）自動改平子模態（AL）

3）機電管理參數的顯示控制

（1）燃油狀態參數顯示控制

（2）液壓剎車狀態參數顯示控制

（3）電源狀態參數顯示控制

（4）起落架狀態參數顯示控制

4）發動機狀態參數顯示控制

5）維護功能模式控制

（1）維護自檢控制

（2）維護故障查詢

（3）安裝誤差設定

6）顯示畫面的控制

（1）全屏顯示、分屏顯示及開窗控制

（2）缺省顯示畫面的控制

（3）畫面顯示優先級的控制

2.4 符號畫面設計

高級教練機通常為多任務設計，每個任務均有特定的畫面和邏輯需求。在顯示裝置上出現相應的不同符號和飛行指令，如圖2所示，顯示畫面由多個不同的符號構成，有靜止的、運動的符號。

在顯示符號及畫面的設計中，需注意以下幾點：

1）顯示符號和畫面設計可以根據顯示器的大小、座艙布局來對顯示畫面進行設計；

2）設計畫面符號時，應考慮到符號的通用性、繼承性以及畫面中的顯示比例；

3）設計顯示符號時，應采用形象直觀且與人的認知特點相匹配的顯示格式；

4）從優化設計的角度，要考慮顯示字符的清晰度和邏輯性，以及各畫面字符位置的合理安排和可讀性。

5）設計畫面邏輯時，應考慮畫面大小與飛行作戰模式之間的關系，以及飛行員的習慣等。

圖2 座艙平顯顯示畫面

此外還應遵循如下顯示設計特點：

1）缺省顯示的邏輯

顯示界面是有限的，無法滿足任務模式里所有的信息都同時顯示的需求。需將每個任務模式中最典型的信息提取出來，作為缺省的顯示信息與任務模式關聯。飛行員在不同的主模式之間切換時，不再需要手動選擇即可以得到缺省的顯示。

2）顯示的分層結構

對于顯示畫面的設計，按照從重要到次要畫面的分層結構來顯示。

3）快捷的顯示切換

在設計快捷的顯示切換時，在畫面的邏輯設計中考慮使用快捷鍵的方式。不論系統當時處于何種主模式畫面，都可以通過快捷鍵迅速返回主菜單。

4）顯示的防擁

在飛行中，飛行員有時可能只關注某一方面的信息。考慮到這種需求，可以利用設置不同級別的防擁顯示來解決這種問題。通過選擇不同的防擁方式，可以得到不同的顯示信息組合方式。

5）顯示信息的優先級

在平顯顯示畫面中，平顯上會顯示各種作戰符號和告警信息，應根據這些信息的優先級排列，決定信息重疊覆蓋顯示的級別。

2.5 控制邏輯設計

控制邏輯設計與系統頂層設計文件密切相關（如：全飛行剖面的任務使命、系統構型、配套武器、系統的信息流等），涉及系統廣泛的技術范疇。需根據不同任務及飛行員所要側重了解的信息及操作，將航空電子系統顯示控制涉及的大量操作有邏輯的設計在一起。主要設計步驟如下：

第一步：設計飛行員操作流程圖

飛行員操作流程圖是對其整個飛行剖面而言的，包括：飛行前的任務準備、起飛導航、警戒待機、對空和對地攻擊以及返航等多個任務階段。通過對飛行員操作流程圖設計，將飛機座艙內的信息控制和顯示部件與飛行員的操作動作聯系起來。在飛行員操作流程圖中應說明每個任務階段執行的一系列操作及其所需的時間。

第二步：分解和轉換飛行員操作流程圖

該步驟是將飛行員操作流程圖分解和轉換成飛行員執行某項工作（如導航方式選擇、空空導彈發射）的所有操作的有序集合，并確定每個操作所需的時間。包括飛行員對雙桿上的開關操作的時間，對各種顯示器的字符觀察和判斷時間，對各種顯示器上開關、按鈕操作的時間等。

以近距發射空空紅外導彈為例（從雷達發現目標到導彈發射），將該項工作分解為若干個操作，給出初步分解的飛行員操作流程圖（沒有給出操作時間和觀察判斷時間），見圖3，通過對飛行員操作流程圖的分解，可明確在任務執行過程中飛行員應該完成的操作和需要得到的顯示，以及這些行為與顯示之間的相互聯系。

3 關鍵技術

1）數據融合技術

作戰時，飛行員的主要任務是作出好的戰術決策并執行這些決策，然而作出戰術決策的正確程度直接與飛行員對態勢的了解(SA)成正比。隨著探測傳感器作用距離增加、電子戰系統精度極大提高以及數據鏈路將裝備至教練機。在作戰訓練時，要增強飛行員對態勢的全局了解，需將雷達、電子戰、數據鏈、導航與地圖以同一比例、同一坐標在大的顯示器上進行融合，提高飛行員作戰效能。

圖3 近距空空導彈發射飛行員操作流程圖初步分解

2）顯示符號實時性修正技術

在導航與著陸階段，飛行員需要根據速度矢量符的位置反推攻角，以保證飛機以安全的姿態完成相關功能操作，如采用真攻角和真側滑角驅動的速度矢量符號，速度矢量符號會抖動；改用慣性攻角和慣性側滑角驅動后，存在滯后現象。

經對試飛數據的分析后，決定采用慣性攻角和慣性側滑角驅動平顯上的速度矢量符號，但需對速度矢量符采用實時性修正技術，即根據飛機前一周期與當前周期的俯仰角、橫滾角、俯仰角速率、真攻角、慣性攻角、慣性側滑角等數據進行修正，并通過采集試飛數據在地面仿真驗證其可行性。圖4為修正后慣性攻角與修正前慣性攻角的對比圖，修正后的慣性攻角變化趨勢與修正前慣性攻角的變化趨勢一致，修正后的信息提前100～200ms，滿足速度矢量符實時性顯示的需求。

圖4 慣性攻角與預測的慣性攻角局部放大對比圖

3）語音控制技術

雖然語音控制技術經過了幾十年的發展，語音識別能力和靈活性以及對語音控制的應用有所提高，但當前語音識別系統和語音控制系統還不能達到預期的性能水平，主要表現在：首先，語音識別技術的識別率有限，不能實現百分百的準確率識別語音命令；其次，語音識別技術受環境噪聲、高過載下飛行員的發音變化等原因的影響，在這些環境下，識別率會有所下降。

基于識別率考慮，對語音控制技術在座艙中的應用應做一些限制：語音控制設備在飛機上只充當輔助控制設備，必要時可用其他控制設備取代；語音識別系統的控制鍵設置在雙桿上，確保飛行員雙手不離桿，可隨時對語音控制進行操控和切換；語音控制不能承擔關鍵任務，語音識別錯誤不應造成嚴重后果；語音識別應有及時的反饋信息，確保飛行員了解語音是否被輸入、是否被正確識別。

4 結語

座艙顯示與控制是飛行員和飛機之間相互作用的接口，是人機交互界面關鍵所在。如何準確地獲取飛機的狀態信息、戰場態勢,如何有效地控制飛機完成飛行、作戰訓練等任務，一直是備受關注的熱門話題，隨著科學技術尤其是計算機技術的不斷發展,座艙顯示與控制將朝著數字化、綜合化、人性化方向發展，使飛行員能夠更便捷地操縱飛機,達到人與飛機的和諧統一。