淺談民航飛機(jī)駕駛艙顯示器的演變

房瑋

摘 要：現(xiàn)如今，顯示器向飛行員傳遞的飛機(jī)參數(shù)越來(lái)越多，同時(shí)必須保證信息傳送的及時(shí)準(zhǔn)確。大屏幕化、玻璃化是駕駛艙發(fā)展的重要特征。在飛行任務(wù)中，使飛行員很快地了解飛機(jī)的各種性能參數(shù)，迅速地做出正確的判斷，這是現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)展要求，所以必須要進(jìn)一步提高座艙顯示器的綜合性能。

關(guān)鍵詞：駕駛艙 顯示器 綜合性

中圖分類號(hào)：V247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（b）-0055-02

在航空業(yè)發(fā)展早期，執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，飛行員主要靠眼睛和耳朵接收信息，這使飛行員處于高度緊張狀態(tài)，而且飛行員的主觀判斷往往與客觀事實(shí)有出入。為了使飛行員從緊張的飛行狀態(tài)解脫出來(lái)，并增強(qiáng)飛行時(shí)的可靠性，飛機(jī)上開始增加相關(guān)電子設(shè)備來(lái)替代飛行員的主觀判斷，并以模擬量或者數(shù)字量的形式在儀器上顯示出來(lái)。隨著綜合化、集成化航空電子技術(shù)的快速發(fā)展，種類眾多的航空電子設(shè)備被研發(fā)出來(lái)，從而使顯示器從單一功能向多功能轉(zhuǎn)化，它除了為飛行員提供駕駛飛機(jī)用的目視顯示數(shù)據(jù)外，還要為各種導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)和飛行數(shù)據(jù)記錄器等提供各種數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，顯示器必須能保證飛行員在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取所需要的各種信息。而這些數(shù)據(jù)往往過(guò)于龐大，為了保證這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，有必要對(duì)顯示器進(jìn)行全面而系統(tǒng)的研究。

1 早期機(jī)電式儀表

其中最重要的儀表分別是空速表、高度表、顯示飛機(jī)俯仰和傾斜姿態(tài)的姿態(tài)指示器和顯示航向的羅盤，是分離式“T”型布局。輔助儀表是轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀和顯示飛機(jī)高度變化率的升降速率表。

機(jī)電式儀表是利用指針刻度盤等機(jī)械硬件在固定空間的相對(duì)位移顯示信息。早期B737-300的駕駛艙是老式機(jī)電式儀表。這類顯示器的信息容量小，一般都是單一功能性的。這樣就造成其數(shù)量多并且利用率低。

2 電子飛行儀表系統(tǒng)

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代飛機(jī)駕駛艙儀表的設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字式電子顯示技術(shù)，并將飛行、導(dǎo)航等大量信息進(jìn)行了綜合顯示。

飛機(jī)駕駛員通過(guò)EFIS的顯示信息，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)相應(yīng)飛機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。機(jī)務(wù)人員利用電子飛行儀表系統(tǒng)，可進(jìn)行故障分析和隔離。同時(shí)，EFIS也比機(jī)械式飛行儀表更易維修。

電子飛行儀表系統(tǒng)采用T字型布局，正副駕駛前方各有一套主飛行顯示器PFD和導(dǎo)航顯示器ND，中間上下兩個(gè)屏幕是顯示發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和警告信息的ECAM（空客）或EICAS（波音）。它們的顯示由多個(gè)余度的計(jì)算機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。機(jī)組可以通過(guò)相應(yīng)的控制面板來(lái)控制它們的顯示與轉(zhuǎn)換。

2.1 主飛行顯示器

與駕駛員如何操作最直接相關(guān)的信息是飛機(jī)目前的姿態(tài)（高度、速度、平直度）和航向，它們顯示在PFD屏幕的上、下半部。上半部主要為地平儀，用象征飛機(jī)的圖符示意飛機(jī)在高度層所處的位置和飛機(jī)本身的平直度；兩側(cè)縱向列表顯示高度、空速、垂直速度的即時(shí)和參照數(shù)據(jù)。下半部以羅盤格式描述飛機(jī)當(dāng)前的航向[1]。顯示數(shù)據(jù)來(lái)源于大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)和姿態(tài)計(jì)算機(jī)，原始數(shù)據(jù)來(lái)自機(jī)載傳感器、陀螺、羅盤等測(cè)量?jī)x。

2.2 導(dǎo)航顯示器

顯示各種導(dǎo)航參數(shù)和飛行計(jì)劃等，例如指示航向，顯示飛機(jī)的航路、航跡、高度偏離、風(fēng)向以及與前方航路點(diǎn)的距離等，氣象雷達(dá)的圖像也顯示在這個(gè)屏幕上，并用各種彩色的符號(hào)和文字顯示導(dǎo)航信息和有關(guān)資料。

2.3 ECAM

它能夠顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)和警告信息、發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)如壓力比、排氣溫度和轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助參數(shù)如燃油和滑油的流量、壓力、溫度等，并能在飛行的全部航段上連續(xù)自動(dòng)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)其他系統(tǒng)的工作并在出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警，能自動(dòng)記錄故障時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)，能夠顯示燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)的工作情況。這種系統(tǒng)的使用一方面改善了駕駛員的工作條件，簡(jiǎn)化了儀表布局；另一方面為維護(hù)工作提供了數(shù)據(jù)量。

3 未來(lái)新技術(shù)

3.1 合成視景系統(tǒng)

合成視景系統(tǒng)，是在現(xiàn)有的綜合電子顯示系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的電子飛行儀表系統(tǒng)EFIS的上藍(lán)下棕的二維平面背景進(jìn)行立體化處理，在主飛行顯示器PFD上顯示由數(shù)據(jù)庫(kù)合成的三維飛機(jī)前方飛行環(huán)境，同時(shí)在導(dǎo)航顯示器ND上顯示帶陰影地形圖的飛機(jī)下方地形正投影。這種合成的地形顯示不受氣象狀況的影響，有助于飛行機(jī)組判斷飛機(jī)相對(duì)地形的位置。在較低能見度條件下，這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出。PFD上顯示的地形與外部實(shí)際環(huán)境是“一致的”，因此，飛行員在集成了合成視景之后的PFD上看到的地形與理想能見度下看到的外部真實(shí)地形是一致的。大量的飛行模擬器試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)已經(jīng)證明了，合成視景系統(tǒng)能夠使飛行機(jī)組直觀地獲取地形信息[2]。

3.2 視景增強(qiáng)系統(tǒng)

人眼可視的電磁光譜范圍很窄，如果能夠有效地利用紅外和毫米波段，則可大大增強(qiáng)人眼的可視能力。通常，長(zhǎng)波對(duì)云霧的穿透能力較短波要強(qiáng)。視景增強(qiáng)系統(tǒng)中所采用的紅外技術(shù)主要有兩種，一種為微輻射熱測(cè)量器，工作波長(zhǎng)為8～14μm；另一種為銻化銦傳感器，工作波長(zhǎng)為1～5μm，目前這種技術(shù)較為成熟，而且對(duì)云霧的穿透能力也更強(qiáng)。與紅外傳感技術(shù)相比，在濃霧天氣中，毫米波成像雷達(dá)的穿透能力通常更強(qiáng)，但分辨率較低一些。

隨著技術(shù)的逐步趨于成熟，集成了視景增強(qiáng)和合成視景系統(tǒng)的飛機(jī)駕駛座艙，其綜合顯示控制系統(tǒng)必將極大程度地提高飛機(jī)駕駛員對(duì)周圍飛行環(huán)境的情景意識(shí)，從而進(jìn)一步提高飛機(jī)飛行的安全性。

3.3 平視顯示器和頭戴式顯示器

平視顯示器HUD是把飛行所需要的各種數(shù)據(jù)投射到駕駛員正前方透明顯示組件上的系統(tǒng)，使駕駛員保持平視姿態(tài)，獲取飛行信息。因其有助于提高飛機(jī)駕駛員對(duì)飛機(jī)外部態(tài)勢(shì)的感知而受到歡迎。飛機(jī)如果安裝了HUD系統(tǒng)，飛行員在整個(gè)飛行過(guò)程中的飛行“視”界將被最大化地?cái)U(kuò)展，尤其在起飛和著陸的時(shí)候。它可以將飛機(jī)的航跡信息準(zhǔn)確地投射到飛行員視野正前方的透明顯示器上，使飛行員在整個(gè)飛行過(guò)程中，始終保持平視狀態(tài)飛行，不再頻繁地低頭俯視儀表或抬頭關(guān)注外界目視參照物。隨著增強(qiáng)視景系統(tǒng)在民航飛機(jī)上的安裝使用，通過(guò)圖像傳感器獲得外部景象的電子實(shí)時(shí)圖像，同時(shí)將信息顯示在HUD上，或者獨(dú)立使用，向飛行提供跑道特征以及周圍地形和障礙物特征的圖像，增強(qiáng)夜間和低能見度條件下飛行時(shí)的情景意識(shí)[3]。

和傳統(tǒng)的顯示器相比，頭戴顯示器的外形一般表現(xiàn)為頭盔的模式，其本質(zhì)上是一個(gè)投影機(jī)系統(tǒng)。隨著LCD技術(shù)的發(fā)展，以及OLED的出現(xiàn)，顯示器體積進(jìn)一步縮小，顯示方式也出現(xiàn)變化，出現(xiàn)了兩種成像方式：面板成像和激光掃描顯示技術(shù)；前者多用于民用領(lǐng)域，后者主要是軍事領(lǐng)域。頭戴式顯示器并非是單純的顯示設(shè)備，和普通的顯示器、投影機(jī)不同，它具有交互功能，能夠幫助飛行員進(jìn)行信息處理，并和其他設(shè)備進(jìn)行信息鏈接，頭戴式顯示器最終目的是幫助飛行員增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），在人眼觀測(cè)到的真實(shí)世界中進(jìn)行信息標(biāo)注或者信息計(jì)算[4]。

由于駕駛艙空間有限，大型下視顯示器將占據(jù)大量的空間，平視顯示器、頭戴式顯示器等“平視”系統(tǒng)將成為未來(lái)飛機(jī)的主要顯示器配置。這種顯示器可以隨著飛機(jī)的航跡和航向顯示實(shí)時(shí)和增強(qiáng)型或綜合型的信息。無(wú)論飛機(jī)的其他技術(shù)如何發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)必將成為未來(lái)先進(jìn)駕駛艙系統(tǒng)的主要特征。

4 結(jié)語(yǔ)

駕駛艙顯示器的發(fā)展過(guò)程是從機(jī)械指示發(fā)展到數(shù)字顯示，儀表的數(shù)量經(jīng)歷了從少到多，又從多到少的發(fā)展過(guò)程。在某種意義上講，駕駛艙顯示儀表發(fā)展是飛機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。

近現(xiàn)代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟，高分辨率顯示器的運(yùn)用，駕駛艙顯示朝著“玻璃化”方向發(fā)展。在顯示方式上，由傳統(tǒng)的二維平面模式向立體化的三維視圖轉(zhuǎn)變，對(duì)改善駕駛員的感知與判斷具有重大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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[4] 杜海濤.現(xiàn)代飛機(jī)座艙顯示系統(tǒng)研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27（3）：294-298.