論電子飛行膝板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)范文

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摘要:由于軍用飛機(jī)機(jī)載座艙環(huán)境的使用限制以及保密的相關(guān)要求，類似電子飛行包的民用航空技術(shù)在軍用飛機(jī)領(lǐng)域尚沒(méi)有成熟的應(yīng)用，市場(chǎng)上的普通平板電腦不能滿足機(jī)載環(huán)境和保密的要求，軟件也未形成相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有數(shù)家單位在研發(fā)用于軍用機(jī)載環(huán)境的電子飛行膝板，且部分已經(jīng)開(kāi)始小規(guī)模應(yīng)用。介紹了一種用于軍用飛機(jī)的電子飛行膝板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要提供飛行卡片制作、瀏覽，基于GPS+北斗2衛(wèi)星定位，基于數(shù)字地圖航線規(guī)劃和輔助空中導(dǎo)航等功能，可減輕飛行員訓(xùn)練操作負(fù)擔(dān)，提高飛行訓(xùn)練的安全性。

關(guān)鍵詞:電子飛行膝板;飛行卡片;航線規(guī)劃;飛行導(dǎo)航

引言

電子飛行包是一種駕駛員飛行助理工具，美國(guó)聯(lián)邦航空局的咨詢通告(AC120－76A)將電子飛行包定義為:在駕駛艙/客艙使用的電子顯示系統(tǒng)，可容納機(jī)組攜帶的所有資料，能將航空?qǐng)D表、飛行操作手冊(cè)、飛行檢查單、最低設(shè)備清單及飛行日志等資料進(jìn)行數(shù)字化處理，以方便對(duì)機(jī)組資料的查詢，逐步實(shí)現(xiàn)座艙無(wú)紙化［1］。電子飛行包已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用航空公司，將民航飛機(jī)駕駛艙的數(shù)字信息傳輸和管理提升到一個(gè)新水平。由于民航飛機(jī)座艙環(huán)境比較寬松，基本的電子飛行包硬件通常采用移動(dòng)電腦或個(gè)人平板電腦，而在軍機(jī)領(lǐng)域，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，還沒(méi)有一套成熟的軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)類似電子飛行包的功能。軍用飛機(jī)的飛行員在執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，通常會(huì)根據(jù)任務(wù)單制作飛行卡片，包括任務(wù)卡片、檢查單、特情處置卡片等，打印成紙質(zhì)卡片，安裝在飛行夾板上，飛行夾板通過(guò)彈性綁帶固定在大腿部位，便于在飛行過(guò)程中查閱相關(guān)的信息，攜帶手持GPS導(dǎo)航設(shè)備，用于輔助飛行導(dǎo)航。隨著航空電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，任務(wù)系統(tǒng)的功能不斷拓展，飛行員要執(zhí)行的作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的用于輔助飛行的紙質(zhì)飛行夾板和手持GPS導(dǎo)航設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足信息化作戰(zhàn)和訓(xùn)練的需求。美軍已在F－16、C－130、F/A－18和AH－1W等多種軍用飛機(jī)應(yīng)用定制的EFB執(zhí)行計(jì)劃編制、作戰(zhàn)、搜索、營(yíng)救和導(dǎo)航等任務(wù)［2］。隨著平板電腦和移動(dòng)終端的普及，部隊(duì)也曾經(jīng)嘗試使用PAD或移動(dòng)終端來(lái)輔助飛行，但商業(yè)PAD或移動(dòng)終端也存在諸多問(wèn)題，如不能適應(yīng)復(fù)雜的機(jī)載環(huán)境，不滿足座艙照明的要求，戴手套不便進(jìn)行觸屏操作，不符合保密要求等。基于以上原因，參考電子飛行包設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了一種基于加固平板電腦的電子飛行膝板設(shè)計(jì)，硬件上可滿足復(fù)雜機(jī)載環(huán)境的要求，軟件提供相對(duì)靈活的交互式應(yīng)用。

1相關(guān)技術(shù)

1．1電子飛行包

在民航局的資訊通告中(AC－121－FS－2009－31)，電子飛行包英文名稱為ElectronicFlightBag(簡(jiǎn)稱EFB)，定義其為:包含用于支持一定功能的軟硬件，用于駕駛艙或客艙的電子顯示系統(tǒng)［3］。EFB的基本功能有:1)電子化的文件、手冊(cè)、圖表和資料，便于隨時(shí)調(diào)用查閱;2)電子航圖，包括終端區(qū)圖、進(jìn)近圖、地面滑行數(shù)據(jù)及航路導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)，供隨時(shí)調(diào)用查閱或地面活動(dòng)顯示;3)電子檢查單，包括起飛著陸用檢查單、應(yīng)急檢查單;4)電子化的飛行性能計(jì)算;5)電子化的飛行日志;6)電子視頻監(jiān)視，包括對(duì)機(jī)外情況(各種操作面的位置、結(jié)冰情況、起落架位置)和客艙監(jiān)視(駕駛艙門附近的情況、各段客艙內(nèi)旅客情況)［1］。

1．2移動(dòng)終端

移動(dòng)終端系統(tǒng)是一種強(qiáng)調(diào)無(wú)線通信的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它包含所有支持通用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的必要組件和用來(lái)執(zhí)行通信任務(wù)的特別組件。從功能上來(lái)講，一個(gè)移動(dòng)終端系統(tǒng)應(yīng)該包括以下部分:通信子系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)、內(nèi)存子系統(tǒng)、多媒體子系統(tǒng)、操作系統(tǒng)子系統(tǒng)、平臺(tái)操作子系統(tǒng)、電源管理子系統(tǒng)和安全子系統(tǒng)。不同終端可以采用不同的體系結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地也就采用了不同的子系統(tǒng)劃分方式［1］，其中一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1移動(dòng)終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2總體設(shè)計(jì)

2．1設(shè)計(jì)需要考慮的因素

電子飛行膝板的主要功能包括幫助飛行員完成任務(wù)計(jì)劃編制、基于數(shù)字航圖的飛行航線規(guī)劃、基于衛(wèi)星定位的空中導(dǎo)航等。作為在座艙環(huán)境下使用的一款輔助作戰(zhàn)訓(xùn)練的電子設(shè)備，需要考慮其特殊的應(yīng)用環(huán)境。首先，軍用飛機(jī)，尤其是殲擊機(jī)，其座艙環(huán)境復(fù)雜，空間小，無(wú)法將設(shè)備安裝在座艙內(nèi);其次，由于軍用飛機(jī)的全天候作戰(zhàn)需求，對(duì)電子設(shè)備工作的環(huán)境適應(yīng)性，如溫度、濕熱、低氣壓、加速度、振動(dòng)、沖擊等要求較高。此外，由于需要在陽(yáng)光下可視以及在夜間環(huán)境使用時(shí)不能影響其他照明設(shè)備，需要設(shè)備的顯示亮度具有很寬的調(diào)節(jié)范圍。飛行員操縱飛機(jī)時(shí)都帶飛行手套，僅觸屏操作很難滿足飛行員的操作要求。在座艙環(huán)境下，對(duì)電磁兼容性及電池的安全性也必須滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)的要求。基于以上考慮，商用平板電腦顯然無(wú)法滿足。需要基于商用平板電腦技術(shù)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

2．2電子飛行膝板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子飛行膝板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒了加固平板電腦和移動(dòng)終端設(shè)計(jì)技術(shù)，由處理器模塊、衛(wèi)星定位模塊、顯示單元、機(jī)械按鍵板、電池、天線及外設(shè)(電源適配器、耳機(jī)、USB等)組成。電子飛行膝板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2電子飛行膝板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．3電子飛行膝板工作原理

電子飛行膝板包括硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。由可充電鋰電池為處理器、顯示屏、BD2/GPS等模塊或組件供電。處理器模塊完成所有的數(shù)據(jù)處理功能，是電子飛行膝板硬件的核心模塊。處理器上集成了處理器、存儲(chǔ)器、接口驅(qū)動(dòng)電路、音頻電路、光感應(yīng)電路、北斗2/GPS模塊等多種功能電路，操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件駐留在處理器的存儲(chǔ)器上，系統(tǒng)加電后對(duì)各設(shè)備進(jìn)行初始化和工作狀態(tài)的掃描。系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，顯示主界面，用戶可通過(guò)觸屏或機(jī)械按鍵進(jìn)行各項(xiàng)功能的操作。

2．4電子飛行膝板外觀及人機(jī)交互設(shè)計(jì)

電子飛行膝板提供了多點(diǎn)觸控電容式觸屏，顯示屏尺寸采用16:9的7inLCD液晶屏，考慮到飛行員在機(jī)上操作的使用要求，在提供觸屏設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，同時(shí)設(shè)計(jì)了具有背光功能物理按鍵，除電源、主頁(yè)、返回、方向、確認(rèn)等標(biāo)準(zhǔn)按鍵外，還提供了亮度調(diào)節(jié)、地圖縮放、晝夜切換、鎖屏、功能切換、數(shù)據(jù)銷毀等特定的功能按鍵，見(jiàn)圖3。在數(shù)據(jù)交換方面，提供定制連接器的USB2．0接口，可實(shí)現(xiàn)與地面數(shù)據(jù)加載設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。圖3電子飛行膝板外觀

2．5結(jié)構(gòu)及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

電子飛行膝板的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、座艙照明設(shè)計(jì)等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，既要滿足強(qiáng)度要求，又要最大限度的減輕重量。電子飛行膝板結(jié)構(gòu)部分包括上、下殼體，電池緊固件和安裝綁帶等。上殼體采用PC+ABS材料，其特點(diǎn)是質(zhì)量輕、流動(dòng)性好，強(qiáng)度高。下殼體采用鋁鎂合金，確保與綁帶安裝部分的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。熱設(shè)計(jì)上，選擇工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)元器件，處理器和電池與后殼體通過(guò)高導(dǎo)熱材料貼合。在座艙照明環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)上，LCD顯示模組通過(guò)調(diào)整PWM和LED背光燈，使得顯示屏具有較高的亮度調(diào)節(jié)范圍，最低亮度可達(dá)0．17cd/m2以下，最高亮度達(dá)到600cd/m2以上，滿足機(jī)載座艙照明環(huán)境的要求。

2．6軟件設(shè)計(jì)電子飛行膝板軟件包括地面軟件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。

2．6．1地面支持軟件設(shè)計(jì)在線編程用于操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)完成后，將操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序固化到模塊的FLASH存儲(chǔ)器中，以便上電后讓其自動(dòng)運(yùn)行。在線編程軟件分為兩部分，一部分駐留在目標(biāo)機(jī)中，稱為在線編程軟件，一部分駐留在PC機(jī)中，稱為在線編程加載軟件。二者通過(guò)USB2．0接口按照一定的協(xié)議約定完成在線編程功能。2．6．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件用于支持用戶可靠、方便地運(yùn)行、開(kāi)發(fā)、調(diào)試應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)自毀軟件和BIT軟件。2．6．3應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)電子飛行膝板應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)加密軟件、飛行卡片制作顯示、航線規(guī)劃、飛行導(dǎo)航、數(shù)據(jù)管理等軟件。飛行卡片包括飛行任務(wù)卡片、檢查單、特情處置卡片等，可以是word文檔或PDF文件，用戶可以在電子飛行膝板上制作飛行卡片，也可以將地面PC制作的卡片導(dǎo)入到電子飛行膝板中。檢查單主要用于飛行前、后的各項(xiàng)檢查，特情處置用于飛行過(guò)程中出現(xiàn)緊急時(shí)，指導(dǎo)飛行員緊急避險(xiǎn)，其功能類似EFB的電子檢查單，主要作用是檢查飛機(jī)狀態(tài)，這種檢查在遇到非正常或者在使用緊急檢查單的時(shí)候非常重要，其中內(nèi)置的操作程序主要是規(guī)定飛行員參照完成的標(biāo)準(zhǔn)操作程序，目的是為了減少飛行員可在非標(biāo)準(zhǔn)狀況下的思考時(shí)間，準(zhǔn)確的完成最有利、最安全的操作程序，從而避免航空安全事故的發(fā)生，最大限度、最快速的幫助飛行員實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的控制［4］。“航線規(guī)劃”是用戶按照領(lǐng)航的基本要求，在數(shù)字地圖上標(biāo)劃所要執(zhí)行任務(wù)的飛行航線和相關(guān)內(nèi)容，是用戶飛行前的必要準(zhǔn)備工作。飛行導(dǎo)航軟件接收GPS和北斗2兩種定位信號(hào)，根據(jù)衛(wèi)星定位信號(hào)及航線規(guī)劃內(nèi)容實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，并能對(duì)航線軌跡進(jìn)行記錄和回放。數(shù)據(jù)管理功能主要實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)、空域、航路點(diǎn)、航線等數(shù)據(jù)的維護(hù)管理。

3其他設(shè)計(jì)

3．1界面設(shè)計(jì)

電子飛行膝板將各軟件功能集成到一個(gè)主界面上，見(jiàn)圖4，支持觸屏和按鍵操作進(jìn)入相應(yīng)的應(yīng)用程序。

3．2數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)包括用戶身份認(rèn)證，數(shù)據(jù)加密，定制專用數(shù)據(jù)接口，取消移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WIFI、藍(lán)牙等無(wú)線設(shè)備，提供一鍵數(shù)據(jù)清除功能。用戶持續(xù)按“自毀”鍵超過(guò)3s，則系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)銷毀功能，可將用戶存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)清除，不影響系統(tǒng)軟件。

3．3安裝綁帶設(shè)計(jì)

電子飛行膝板通過(guò)安裝綁帶固定在飛行員大腿部位，安裝綁帶的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素:1)適應(yīng)不同體型的飛行員;2)不影響抗荷服、代償服工作;3)在飛機(jī)大機(jī)動(dòng)時(shí)設(shè)備不脫落;4)易于裝卸;5)在緊急彈射時(shí)設(shè)備不脫離或脫離時(shí)不影響彈射通道及威脅飛行員安全。基于以上考慮，安裝綁帶設(shè)計(jì)采用具有粘接功能的高強(qiáng)度彈性材料，彈性綁帶的長(zhǎng)度、可拉伸長(zhǎng)度及粘接部分的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足不同體型飛行員腿圍的要圖5安裝綁帶求，彈性帶上附加一組鎖扣進(jìn)行二次固定，防止粘接區(qū)域失效而導(dǎo)致設(shè)備脫落，綁帶及安裝見(jiàn)圖5。綁帶和電子飛行膝板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)高速氣流吹襲試驗(yàn)及高速滑車彈射試驗(yàn)，證明未影響彈射安全。

3結(jié)束語(yǔ)

為某型飛機(jī)研制的電子飛行膝板已經(jīng)完成樣機(jī)的設(shè)計(jì)和初步軟件開(kāi)發(fā)，正在進(jìn)行試飛工作，該產(chǎn)品為飛行員提供了電子化的飛行助理工具，在軍用飛機(jī)領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景，隨著軟件功能的不斷完善，其應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到更廣泛的領(lǐng)域。該產(chǎn)品具有良好的用戶體驗(yàn)，貼近飛行員需求，降低飛行員機(jī)艙操作負(fù)擔(dān)，提高飛行訓(xùn)練安全水平，具有很好的市場(chǎng)前景以及實(shí)用價(jià)值。

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作者：王保衛(wèi) 張妍典  單位：航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所