教練機(jī)綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)研究

趙 影，張明明，方佳在，周長(zhǎng)明

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，教練機(jī)的備份導(dǎo)航系統(tǒng)由最初單一的應(yīng)急磁羅盤，發(fā)展到應(yīng)急磁羅盤和應(yīng)急地平儀，到固態(tài)航姿、光纖捷聯(lián)航姿，再到綜合備份儀表顯示系統(tǒng)等，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，取得了令人矚目的成績(jī)。隨著綜合水平的提高，不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)功能、提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)也提升了對(duì)各種飛機(jī)不同需求的適應(yīng)能力。傳統(tǒng)的分離式儀表顯示概念已被淡化，綜合顯示處理系統(tǒng)的概念得到了空前加強(qiáng)，備份儀表的綜合化也越來(lái)越成為用戶廣泛關(guān)注的問(wèn)題[1]。

目前綜合備份導(dǎo)航系統(tǒng)也逐漸實(shí)現(xiàn)了備份儀表由機(jī)電模擬顯示（應(yīng)急磁羅盤、應(yīng)急地平儀及航姿系統(tǒng)）向數(shù)字液晶一體化綜合顯示的飛躍[2]。

1 教練機(jī)綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段多數(shù)教練機(jī)在主航姿系統(tǒng)失效情況下以應(yīng)急儀表方式（即應(yīng)急地平儀、應(yīng)急磁羅盤）向飛行員提供安全返航所需航向、俯仰、橫滾等信息。其顯示儀表由機(jī)械儀表組成。由于機(jī)械儀表占用固定空間，屬于空間分割顯示的專用儀表。因此，機(jī)械儀表通常顯示的信息量小，靈活性差，其功能受限制[3]。隨著教練機(jī)性能提升，未來(lái)對(duì)備份導(dǎo)航系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，顯示的信息日益增加，造成座艙儀表數(shù)量越來(lái)越多，儀表板擁擠，儀表利用率也低，進(jìn)而導(dǎo)致飛行員負(fù)荷過(guò)重、差錯(cuò)增加的出現(xiàn)。要解決這一問(wèn)題，就必須采用綜合化的設(shè)計(jì)思路，發(fā)展綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)。

2 綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)是一種時(shí)分制儀表[3]，一種小型化的多功能綜合顯示器，能夠?qū)浞蒿@示的航向、姿態(tài)、高度、速度等信息同時(shí)顯示在一個(gè)顯示屏中，各種字符按一定位置和活動(dòng)范圍被合理地編排組合或綜合在一起構(gòu)成一個(gè)完整的顯示格式。具有一表多用的優(yōu)點(diǎn)，大大減少了儀表數(shù)量和占用空間，使飛行員能夠在有限的觀察空間內(nèi)獲取大量的飛行信息。綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）座艙布局簡(jiǎn)潔

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)整合了傳統(tǒng)飛機(jī)上必備的4個(gè)備用儀表（應(yīng)急地平儀、空速表、氣壓高度表、應(yīng)急磁羅盤）全部功能，將其信息顯示在一個(gè)顯示屏中，降低了飛行員負(fù)擔(dān)。

2）數(shù)字化顯示

傳統(tǒng)的備份儀表采用指針式指示方式，其顯示信息比較單一，工作穩(wěn)定性差，無(wú)法讀取精確數(shù)據(jù)。

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)采用液晶顯示器，利用內(nèi)部的圖形處理模塊，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，是數(shù)字與圖形的組合顯示方式，顯示信息直觀、易讀，數(shù)據(jù)顯示精度大大提高，可以顯示豐富的信息。其顯示畫面可以與主顯示器保持高度一致，方便飛行員的判讀。

3）信息顯示豐富

她立即瞥了兩個(gè)黑斗篷一眼，還好，不像有人注意到。她賠出籌碼，拿起茶杯來(lái)喝了一口，忽道：“該死我這記性！約了三點(diǎn)鐘談生意，會(huì)忘得干干凈凈。怎么辦，易先生先替我打兩圈，馬上回來(lái)。”

傳統(tǒng)的備份儀表中高度表和空速表采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，無(wú)法接入任何其他系統(tǒng)信息；備份航姿系統(tǒng)雖可以接入無(wú)線電航向或塔康、ILS信息，但是受顯示能力限制，不能顯示更豐富的信息。

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)由于采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和液晶顯示方式，可以接收飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油、告警等系統(tǒng)提供的信息，采用畫面切換的方式向飛行員提供顯示信息，豐富了備份情況下飛行員獲得的飛機(jī)狀態(tài)信息，可以更好的保障飛行安全。

圖1 綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)

3 某教練機(jī)綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)是集信號(hào)源和液晶顯示模塊為一體的導(dǎo)航系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)輸出并顯示飛機(jī)當(dāng)前的磁航向角、俯仰角、傾斜角、空速、氣壓高度及應(yīng)急航姿備份顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信號(hào)。

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)也可以接收、顯示機(jī)上總線協(xié)議的信號(hào)。

當(dāng)飛機(jī)主導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時(shí)，為飛機(jī)提供完成導(dǎo)航任務(wù)的能力，保障飛行安全。

3.1 系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)由一體化儀表、捷聯(lián)磁傳感器、顯示器組成。

一體化儀表顯示屏的類型是單色LCD（液晶顯示）屏，顯示畫面為圖形與數(shù)字顯示。顯示屏可以顯示氣壓高度、空速、飛機(jī)的過(guò)載信號(hào)、飛機(jī)的傾斜角、俯仰角、磁航向角等信息，可用功能鍵進(jìn)行切換。

顯示器顯示航向、姿態(tài)、無(wú)線電方位、高度、速度等信息；可以與一體化儀表進(jìn)行交聯(lián)，接收并顯示相應(yīng)信息；也可以根據(jù)用戶需要與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)交聯(lián)，接收并顯示相應(yīng)信息。顯示器內(nèi)安裝備用電池，平時(shí)用機(jī)上電源供電，在飛機(jī)斷電情況下，可打開(kāi)備用電池開(kāi)關(guān)，用備用電池給一體化儀表和顯示器供電，可以保持正常工作一到兩小時(shí)。

顯示器面板的周邊鍵可以完成顯示畫面切換、顯示器顯示亮度調(diào)節(jié)等功能，畫面和周邊鍵功能的擴(kuò)展可根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)整；顯示器也可以根據(jù)用戶需要選擇不同的接口模塊，接收RS422、ARINC429串行信號(hào)等。

捷聯(lián)磁傳感器用來(lái)敏感測(cè)量較為微弱的地球磁場(chǎng)分布信號(hào)，提供磁航向。

3.2 工作原理

綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)采用微機(jī)械陀螺、微機(jī)械加速度計(jì)和捷聯(lián)磁傳感器來(lái)敏感測(cè)量飛機(jī)飛行過(guò)程中，沿機(jī)體三個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)角速率、線加速度信號(hào)及地磁信號(hào)分量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸給專用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)（DSP數(shù)字信號(hào)處理器），并采用相應(yīng)的航姿解算算法、誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、擴(kuò)展卡爾曼濾波等技術(shù)，得到載體的俯仰角、傾斜角和磁航向信息，并實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上；應(yīng)急航姿備份顯示系統(tǒng)接收大氣傳感器感測(cè)到的總壓、靜壓、總壓溫度和靜壓溫度，通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)解算出飛機(jī)的空速和氣壓高度信息，并實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上。交聯(lián)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 某型教練機(jī)綜合應(yīng)急備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系圖

3.3 安裝方式及位置

一體化儀表安裝在后座艙內(nèi)，用螺釘將一體化儀表固緊在飛機(jī)儀表板上，顯示器安裝在座艙儀表板，便于飛行員觀察。

捷聯(lián)磁傳感器用來(lái)敏感測(cè)量較為微弱的地球磁場(chǎng)分布信號(hào)，機(jī)上的鐵磁物質(zhì)材料和設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，將直接影響傳感器的航向測(cè)量精度，因此該傳感器應(yīng)被安裝在遠(yuǎn)離機(jī)上含有鐵磁的物質(zhì)材料及工作過(guò)程中可能產(chǎn)生較強(qiáng)電磁場(chǎng)的設(shè)備位置，一般將其安裝在飛機(jī)的垂直尾翼或機(jī)翼端部位置處。在其安裝位置的近距離處，不應(yīng)有含鐵磁物質(zhì)材料的零部件，固定捷聯(lián)磁傳感器的螺釘應(yīng)使用配套的無(wú)磁黃銅螺釘。

4 結(jié)語(yǔ)

某型教練機(jī)的綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)集信號(hào)源和顯示設(shè)備為一體，是獨(dú)立的姿態(tài)、航向、大氣數(shù)據(jù)信息測(cè)量與顯示系統(tǒng)，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。其次，在算法中除了航姿解算算法外，還使用了Kalman濾波算法。再次，整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)擁有自己獨(dú)立的傳感器，自成系統(tǒng)，自主完成航向、姿態(tài)的解算，不因外部輔助信息的失效而失效。因此，綜合備份導(dǎo)航顯示系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性。