飛機座艙顯示器發(fā)展研究范文

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《電子設(shè)計工程雜志》2014年第十一期

1綜合顯示器

綜合顯示器是一種光電顯示設(shè)備，一般安裝在中央儀表板上，由相應(yīng)的機載系統(tǒng)向其提供顯示信息，以畫面、字符、數(shù)據(jù)等方式向飛行員提供一幅幅完整的顯示飛行、駕駛、導(dǎo)航、動力裝置等系統(tǒng)工作狀態(tài)的畫面。綜合顯示器并不同時顯示所有的信息，而是根據(jù)飛行員的操作或者系統(tǒng)認(rèn)定的重要度，向飛行員提供所需的信息，暫時不太重要的信息則不顯示。飛行員可按下顯示器周圍的按鈕來得到需要顯示的信息。綜合顯示器的應(yīng)用，一方面減輕了飛機座艙的擁擠，另一方面使得一些復(fù)雜飛行狀況變得一目了然，推動了一代座艙顯示的革命。目前，綜合顯示器經(jīng)歷了CRT（陰極射線管）顯示器和平板顯示器兩個發(fā)展階段。

1.1CRT顯示器CRT顯示器是一種使用陰極射線管（CathodeRayTube）的顯示器，陰極射線管主要有5部分組成：電子槍，偏轉(zhuǎn)線圈、蔭罩、高壓石墨電極和熒光粉涂層及玻璃外殼。早期的CRT技術(shù)僅能顯示光線的強弱，展示黑白畫面，而彩色CRT具有紅色、綠色和藍(lán)色三支電子槍，三支電子槍同時發(fā)射電子打在屏幕玻璃上來顯示顏色。CRT顯示器固有的一些物理局限性制約了它向更高層次的發(fā)展。首先，CRT顯示器由電子束掃描成像，存在圖像閃爍抖動、失真的現(xiàn)象；其次，CRT顯示器體積龐大，功耗大，發(fā)熱量大；而其最頑固的一個缺點就是輻射效應(yīng)，長時間使用情況下，對飛行員的視力和身體健康極為不利。

1.2平板顯示器隨著顯示技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，綜合顯示器逐漸向平板顯示器方向發(fā)展。平板顯示器包括液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器（PDP）、有機發(fā)光顯示器（OLED）、真空熒光顯示器（VFD）和發(fā)光二極管（LED）等。相對于CRT顯示器，平板顯示器有許多優(yōu)點：體積小，重量輕，節(jié)省了飛機座艙空間；電壓低，無X射線輻射，沒有閃爍抖動；不產(chǎn)生靜電，因此不會影響飛行員的健康；功耗低，幾乎不發(fā)熱，可用電池供電；壽命比CRT顯示器長，可靠性更高。因此，目前飛機上已經(jīng)廣泛采用平板顯示器代替了CRT顯示器。大篷車是美國塞斯納公司研制生產(chǎn)的多用途通用飛機，25年以來，各種機型的大篷車飛機的放行可靠率高達(dá)99%，圖2為大篷車飛機座艙儀表板。

2座艙顯示器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國是世界上通用航空最發(fā)達(dá)的國家，也是通用航空大國，美國通用航空的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢代表著世界通用航空發(fā)展的趨勢。G1000系統(tǒng)是由美國GARMIN公司設(shè)計制造的一種通用集成航空電子系統(tǒng)，目前廣泛安裝在塞斯納公司的172、182、206、350、400，鉆石公司的DA40、DA42，新派泊公司的Piper6X等單、雙發(fā)活塞式輕型飛機上。G1000系統(tǒng)采用兩臺10.4英寸、分辨率為1024×768的LCD顯示器作為PFD（主飛行顯示器）和MFD（多功能顯示器），PFD和MFD互為冗余備份。每臺顯示器通過RS232、RS485、ARINC429總線與音頻控制器、大氣數(shù)據(jù)計算機、姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)、機身/發(fā)動機參數(shù)采集器等機載設(shè)備互連，兩臺顯示器之間通過高速以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。圖3為G1000航電系統(tǒng)座艙顯示器。隨著通用飛機的快速發(fā)展，高端通用飛機座艙中出現(xiàn)了EFB（電子飛行包）顯示器。美國Astronautics公司設(shè)計制造的NEXISTM智能飛行系統(tǒng)提供了完美的EFB軟硬件解決方案。NEXISTM智能飛行系統(tǒng)采用8×10.3英寸的LED顯示器，顯示分辨率為1024×768，支持觸摸和虛擬鍵盤操作方式。該顯示器選用了Intel公司的CoreTMi7處理器，采用Linux操作系統(tǒng)，同時集成了ARINC429、ARINC717、全雙工以太網(wǎng)、RS422、USB等接口。

海鷗300飛機綜合航電系統(tǒng)是國內(nèi)首款按照CCAR（中國民用航空規(guī)章）第23部進(jìn)行設(shè)計，并隨飛機進(jìn)行系統(tǒng)適航取證的綜合航電系統(tǒng)，該航電系統(tǒng)的架構(gòu)與G1000系統(tǒng)類似，配置的兩臺顯示器在功能定義和對外接口方面與G1000系統(tǒng)也基本相同。圖4為海鷗300飛機座艙儀表板。長沙景嘉電子有限公司在2011年推出了最新的加固型SMART機載智能顯示器，該顯示器采用Freescale公司的MPC8270處理器和VxWorks操作系統(tǒng)，同時集成了RS232、RS422、1553B和以太網(wǎng)接口，適合機載、艦載、車載等惡劣工作環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域。從我國與美國在小型通用飛機座艙顯示器的發(fā)展現(xiàn)狀對比可以看出，我國在通用航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、研發(fā)能力等方面有一定的基礎(chǔ)，但與國外先進(jìn)技術(shù)仍有較大的差距。我國小型通用飛機座艙顯示器的研制，尚未建立完善的民機產(chǎn)品研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系，距離形成通用化、系列化的商用貨架產(chǎn)品還有相當(dāng)大的差距。我國通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還處在軍用技術(shù)向民用技術(shù)的轉(zhuǎn)型中。

3新一代座艙顯示器發(fā)展方向

隨著現(xiàn)代飛機的快速發(fā)展，未來通用飛機的發(fā)展趨勢可以概括為：高經(jīng)濟性、高安全性、高舒適性和環(huán)境友善性，面向小型通用飛機應(yīng)用的新一代座艙顯示器，應(yīng)滿足多方面的需求和特點。

3.1處理能力強、功耗低在飛行過程中，座艙顯示器需要向飛行員顯示飛行、駕駛、導(dǎo)航、動力裝置等系統(tǒng)工作狀態(tài)，同時根據(jù)不同飛行任務(wù)的特點，還需要實現(xiàn)三維地圖、視景增強、合成視景等顯示功能，這就要求新一代座艙顯示器具有非常強的數(shù)據(jù)處理能力。高性能、低功耗的嵌入式處理器的選用能有效的提高座艙顯示器的能耗比。小型通用飛機由于機身尺寸、發(fā)動機功率和成本等諸多因素的限制，駕駛座艙一般沒有空調(diào)系統(tǒng)，所以新一代座艙顯示器還應(yīng)具備功耗低、發(fā)熱量小的特點。

3.2體積小、重量輕小型通用飛機座艙尺寸較小，機載設(shè)備安裝空間有限。機身尺寸和重量的增加就需要增大發(fā)動機率，同時直接導(dǎo)致機油耗的上升。為滿足小型通用飛機高經(jīng)濟性的特點，新一代座艙顯示器在滿足既定功能的前提下，體積應(yīng)盡量小，10.4英寸顯示器是目前國外小型通用飛機航電系統(tǒng)的主流配置。同時，新一代座艙顯示器在設(shè)計制造上應(yīng)嘗試采用復(fù)合材料，在滿足強度要求的同時進(jìn)一步減輕機身的重量。

3.3航電接口豐富、擴展性強小型通用飛機由于其高經(jīng)濟性的特點，均選擇低成本的航電系統(tǒng)。不同于大型客機、公務(wù)機，小型通用飛機一般不配置核心處理計算機，各種機載設(shè)備如音頻控制器、大氣數(shù)據(jù)計算機、S模式應(yīng)答機、甚高頻電臺、儀表著陸系統(tǒng)、氣象雷達(dá)等分別通過RS232、RS422、RS485、ARINC429/702、ARINC708/453等接口直接與座艙顯示器互聯(lián)和交換數(shù)據(jù)，所以新一代座艙顯示器應(yīng)具有豐富的航電設(shè)備接口。同時，為適應(yīng)不同航電系統(tǒng)架構(gòu)的需求，新一代座艙顯示器還需要具備一定的擴展性，滿足不同用戶可定制的需求。

3.4通用化、系列化、低成本目前，通用飛機基本采用緊湊型、自定義的航電系統(tǒng)架構(gòu)，各設(shè)備對外接口定制，不同廠家產(chǎn)品不能互換，通用性、維護(hù)性很差。隨著機載計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，開放式航電系統(tǒng)架構(gòu)在小型通用飛機中將得以廣泛應(yīng)用。采用開放式航電系統(tǒng)架構(gòu)后，航電系統(tǒng)構(gòu)型更加靈活簡便，航電系統(tǒng)易于升級，安全性、可靠性更高，維護(hù)性更好，同時有更多的商用貨架產(chǎn)品可選擇。新一代座艙顯示器應(yīng)采用統(tǒng)一的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)，滿足統(tǒng)一開放的航電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，采用通用的航空總線，如以太網(wǎng)、ARINC429等，形成通用化、系列化的貨架產(chǎn)品，降低設(shè)計制造和后期維護(hù)的成本，滿足小型通用飛機高經(jīng)濟性的特點。

3.5可靠性高據(jù)統(tǒng)計，人為誤操作和惡劣天氣因素是導(dǎo)致通用飛機安全事故發(fā)生的主要原因，為降低這兩種因素對飛行安全的影響，就需要采用具備高可靠性的機載設(shè)備。新一代座艙顯示器的設(shè)計應(yīng)具有友好的人機工效，最大化的降低誤操作的可能，同時在設(shè)計上具有一定的余度，提高故障監(jiān)測和隔離的能力。閃電、湍流、雷暴和結(jié)冰是威脅飛行安全的最主要的四種天氣現(xiàn)象，新一代座艙顯示器的環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)滿足DO-160F[2]（機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法）的要求，尤其是其中雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感性的要求，以滿足小型通用飛機高安全性的特點。

3.6安全性高、取得適航認(rèn)證適航，即適航性的簡稱。民用航空器的適航性是指該航空器包括其部件及子系統(tǒng)整體性能和操作特性在預(yù)期運行環(huán)境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質(zhì)，這種品質(zhì)要求航空器應(yīng)始終處于保持符合其型號設(shè)計和始終處于安全運行狀態(tài)。適航標(biāo)準(zhǔn)是為了保證實現(xiàn)民用航空器的適航性而制定的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，是通過長期工作積累，吸取了歷次飛行事故的教訓(xùn)，經(jīng)過必要的驗證及公開征求公眾意見不斷修訂而成的，是國家法規(guī)的一部分，必須嚴(yán)格執(zhí)行。目前國外比較有名的適航標(biāo)準(zhǔn)有美國聯(lián)邦航空局的FAR（聯(lián)邦航空條例）、歐洲聯(lián)合航空局的JAR（聯(lián)合航空條例）、我國的適航標(biāo)準(zhǔn)是CCAR（中國民用航空規(guī)章），主要參考國際上應(yīng)用最廣泛的美國適航標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國情而制定。針對小型通用飛機座艙顯示器，應(yīng)遵循CCAR第23部CCAR-23-R3（正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規(guī)定），涉及到的規(guī)定主要為[3]：•23.1303飛行和導(dǎo)航儀表；•23.1305動力裝置儀表；•23.1309設(shè)備、系統(tǒng)和安裝；•23.1323空速指示系統(tǒng)；•23.1335飛行指引系統(tǒng)；其他重要參考文件包括：•SAEAS8034電子顯示器的最低性能標(biāo)準(zhǔn)[4]；•CAACCTSO-C113機載多功能電子顯示器[5]。

3.7滿足民機研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系軍機產(chǎn)品在研制與開發(fā)過程中，依賴于傳統(tǒng)的設(shè)計和管理手段，缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。民機產(chǎn)品研制與軍機在產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計要求、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、制造試驗標(biāo)準(zhǔn)等多個方面存在較大的不同，因此必須建立民機產(chǎn)品的研發(fā)體系，遵循民機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和適航標(biāo)準(zhǔn)展開研制。ARP4754[6]（高綜合性或復(fù)雜飛機系統(tǒng)的認(rèn)證考慮）與DO-178B[7]（機載系統(tǒng)和設(shè)備認(rèn)證中的軟件考慮）、DO-254[8]（機載電子硬件設(shè)計保證指南）共同構(gòu)成了民機開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)體系。在該體系中，ARP4754作為頂層標(biāo)準(zhǔn)定義了高集成或復(fù)雜航空器系統(tǒng)的認(rèn)證過程，該標(biāo)準(zhǔn)基于航空器整機的運行環(huán)境及功能考慮，定義了航空器整機功能的系統(tǒng)生命周期，而細(xì)節(jié)的軟件、硬件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)則分別由DO-178B和DO-254規(guī)范。新一代座艙顯示器的軟件、硬件研制應(yīng)嚴(yán)格遵循民機發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)體系，對其整個生命周期的每個過程都進(jìn)行嚴(yán)格控制，包括有效合理的計劃、對需求的確認(rèn)和驗證、全過程的構(gòu)型管理和質(zhì)量保證，以保證最終產(chǎn)品的安全性水平是可接受的。

4結(jié)束語

小型通用飛機座艙顯示器的發(fā)展，應(yīng)著重于減少飛行員的工作量，通過新功能、新技術(shù)的不斷應(yīng)用來提高飛機的安全性和可操控性，增加飛行的舒適度。我國未來小型通用飛機座艙顯示器的發(fā)展，應(yīng)著重在機載高性能計算與信息處理平臺技術(shù)、機載設(shè)備一體化技術(shù)、平板顯示新技術(shù)、通用飛機適航技術(shù)等方面進(jìn)行長期的研究和探索，推動我國通用航空產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。

作者：姜琳琳單位：中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所