战斗机座舱显示与控制新技术发展动态.doc

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1、综述 文章编号 :1006 - 8309 (1999) 01 - 0040 - 04战斗机座舱显示与控制新技术发展动态刘宝善 (空军航空医学研究所 ,北京 100036)摘 要 :飞机座舱的显示与控制系统在飞机的人机界面中占有非常重要的地位 。随着现代高新技术的发展和在航空工业中的应用 ,战斗机座舱显示与控制技术有许多新的台阶式进展 ,使战斗机的作战性能产生了 质的飞跃 。突出特点是“智能化”。即战斗机座舱的显示控制系统已发展成为崭新的“智能化时代”。并且 ,显 示系统已进入了“智能化显示系统”的第六代 ;控制系统已进入了“智能化控制系统”的第四代 。关键词 :战斗机 ; 人机界面 ; 显示与

2、控制发展动态中图分类号 : V271 . 4文献标识码 :A系统所占的成本比例已按近 50 %2 。F - 22 飞机飞机座舱是飞行员在空中活动的工作场所 。飞行员靠座舱各种显示器的显示获得信息 ,进而 作出决策操纵和控制飞机 。因此 , 座舱的显示与 控制系统在飞机的人2机界面中占有非常重要的 地位 。随着现代高新技术的发展和在航空工业中 的应用 ,战斗机座舱显示与控制技术有许多新的 台阶式进展 ,使战斗机的作战性能产生质的飞跃 。纵观这一领域的发展动态 ,主要表现在以下 10 个方面 。1 视觉显示器智能化美国空军正在研制的 F - 22 战斗机被称为第 四代战斗机 ,具有超音速巡航 、过

3、失速机动 、短距起降 、隐身技术四大性能特点1 。它具有很高的灵活性 ,能在多目标环境中先发现 ,先攻击和先致 敌于死地 ,即所谓“三先优势”。而完成上述任务 的关键在于航空电子系统的高性能 。第二次世界大战以来 ,由于数字技术 、微电子 技术和计算机技术的广泛应用 ,航空电子技术飞 速发展 ,它在航空工业的发展中已占有愈来愈重 要的地位 。无论是民用飞机还是军用飞机 , 都依 赖航空电子系统来提高它们的飞行性能和作战性 能 。对于现代军用飞机 , 航空电子系统所占的成 本比例已超过 30 % ,而 F - 22 战斗机的航空电子的航空电子系统是高度综合的航空电子系统 ,它采用高速多路数据传输

4、总线及 Ada 语言编程 ,使系统性能产生质的飞跃 ,具有以下五大特点 : ( 1)通过数据总线进行信息传递 ; (2) 通过全息平视显示器 、多功能液晶显示器和头盔显示器进行综合显示 ; (3) 采用模块化结构实现结构的简化和资源共享 ; (4) 通过传感器数据融合技术 ,获取更丰富更准确 、质量更高的目标信息 ; ( 5) 通过机内自检测 、系统重构和容错能力 ,提高系统的可靠性和维修性 。由于上述五大特点 ,使 F - 22 飞机的视觉显示器具有明显的智能化特色 ,也就是说 ,它所显示的信息大多是经过“思维分析后”的结果 ,极大地减轻了飞行员的工作负荷3 。2幻真技术应用在当今仿真工业界

5、中最引人注目的术语恐怕就是“幻真”( V R - Virt ual Reality) 了 ,也有人翻译为“虚拟现实”或“人工视景”。所谓“幻真”,即使受试人不与真实外界接触 ,而有完全身临其境的感觉 。高保真飞机模拟器可以被认为是早期的幻真系统 ,只是幻真技术运用现代计算机图形学和人机交换新技术 ,更增加了受试人身临其境的体验 ,更强调临境性 、交互性和想象力 。现代仿真技术已越来越向幻真技术发展 ,二者似乎并无不可逾越的鸿沟4 。军用飞机幻真头盔显示器 ,是幻真技术的典 型应用实例 。该系统采用双目大视场 3 维彩色头 盔显示器 ,显示的图像可随着头动 ,尤其是显示的全视野视景 ,感觉更真实

6、 ,即临境性更好5 。3 电子计算机成像图形或图像显示 ,形象 、直观 ,给人以综合信 息 ,能迅速定性掌握事态全貌 ,对战斗机飞行员来 说有特殊的重要意义 。目前 , 已投入使用的计算机成像显示主要有 2 种 :3 . 1 电子地图显示常规使用的投影地图显示仪 ,缺乏立体感 ,不 需与实际地形联系起来 。电子地图显示仪利用存 储在大容量存储器中的数字化地形数据 ,用高速计算机成像 ,并用导航计算机进行数据修正 ,在彩 色显像管上还原成实时图像 。它对导航 、地形回 避 、地形跟踪 、武器投放和回避地面防空威胁都非 常有利 ,给飞行员增强了立体感和真实感 。3 . 2 动画显示目前使用的电子显

7、示仪表 ,基本上沿用传统 的指针显示形式 。而计算机成像的彩色动画显示 格式 ,则突破了传统的显示形式 ,使飞行员能迅速 掌握瞬息变化的动态信息 ,做到一目了然 ,直接提 高飞行员的作战能力 。尤其是彩色立体战术情况显示格式 ,用透视方法显示天地山河 ,用不同颜色 区分敌我飞机和各种威胁 ,使飞行员有身临其境 之感 。4 视景增强系统战术情况显示器实际上是水平情况显示器的进一步发展 ,在显示彩色地图和导航信息的基础 上 增 加 彩 色 编 码 的 战 术 情 况 信 息 。例 如 , 美 国 F - 15 E战斗机的水平情况显示器已能显示来自 联合战术信息分配系统的战术情况信息 ,其中包括本机

8、附近所有敌 、友飞机的相对位置 、航向和高 度 ,预定安全空中走廊 、国界和战区前沿的相对位 置 ,本机雷达覆盖区和被跟踪目标的机型 、高度和 速度 。因此 ,它也是一种基本的情况显示器 。要达到“了解在相当大空间范围内敌 、我兵力目前和近期布署”,战术情况显示器最好改用大型 显示器 。但由于战斗机座舱窄小 , 难以采用较大 的阴极射线管 。为此 , A - 12 、F - 18 E 和 F - 22 战斗机采用 203 mm 203 mm 有源矩阵彩色液晶 显示战术情况显示器 。战术情况显示器的进一步 发展是采用大图像 3 维全景显示 ,它将成为增强 战斗机飞行员情况了解的重要手段 。其关键

9、技术 是大型彩色液晶显示器 、数字地图发生器和高速 大容量显示处理机以及陆 、海 、空一体化的战术信 息分配系统7 。6 三维声音告警系统众所周知 ,飞行员在空中飞行 80 %以上的信 息是靠视觉来接收的 。为了获取信息 , 飞行员需 要用眼睛长时间地盯住座航的显示器和其它指示 器 ,因而感到非常疲劳 ,甚至有可能忽略了危及生命的重要信息显示 。尤其是随着飞机性能的不断 提高 ,信息量成倍地增加 ,致使飞行员的视觉负荷 越来越大 。以美国 F - 15 战斗机飞行员为例 ,他 的情况感知要通过汲取 75 个不同的显示器和告 警指示器的显示获得 。此外 ,他还必须对 11 个驾驶杆上的开关及近

10、300 个独立开关做出快速的动视景增强系统 ( EV S -Enhanced Visual Sys2tem) 由平视显示器加上前视红外装置和毫米波雷5 10。采用三维声音告警系统 ,能给飞行员提供他视野以外的某种情况相对位置信息 ,可以是 敌方来袭的导弹 、地面目标 、飞行员自己的僚机 , 甚至是夜间或气象条件下着陆的机场跑道端部 。 这种听觉幻真技术的优点是按照自然的方式提供信息 ,不需要在座舱内增加显示和信号器 ,因此不 需要飞行员低头看仪表或学习新的技能8 。7 触敏显示屏触敏显示屏是一种新型综合显示控制器 。它 的按键开关是显示在显示屏上的光学图像而并非硬件 ,从广义上讲也属于幻真控制

11、器 。当手指触 摸开关图像时 ,触敏层感受到手指位置 ,由计算机 寻址 ,向被控系统发出指令 ,实施控制 。控制器由 软件编程 , 可 按 需 要 调 出 , 不 用 时 可 显 示 其 他 信 息 。其优点是在同一空间兼有控制和显示两种功能 ,这不仅大大减少了飞机座舱令人眼花僚乱的 开关和按钮的数量 ,更重要的是使操纵反应时大 大缩短 ,可缩短为手动开关反应时的 1/ 3 。同时 , 这些键盘是按需要才显示的 ,可减少差错 ,保障飞 行安全 。其 缺 点 是 操 作 时 没 有 习 惯 上 的 触 觉 反馈 ,飞行员在使用初期较难适应 。 触敏方 法 有 红 外 、电 阻 、电 容 和 表

12、面 声 波 几种 。但从分辩率 、响应速度 、成像质量 、可靠性和 抗环境条件几个方面的优劣进行综合评价 ,公认 红外二极管光敏探测器陈列触敏技术更适合机载下应用 。除了触敏技术以外 , 关键在于动用综合 技术设计 ,满足人机工效学要求 。例如 ,适当增大 显示开关的有效面积 ,伴以视觉符号或听觉音响10 个开关 、按钮 , 具有 14 种功能 ; 在驾驶杆上装有 7 个开关 、按钮 ,具有 13 种功能 。其特点是适用于双手不离开驾驶杆和油门杆 ,在大过载目视空战时特别有用 。这种控制器的设计 , 充分发挥了飞机的主观能动性 ,使人机工效达到最佳 。8 . 3正前方控制板它是通信 、导航 、

13、识别系统综合控制板 , 安装在平视显示器下面 、主仪表板正中上方 ,由功能开关 、数据输入键盘和暂存读出器组成 。其特点是具有 多 功 能 , 节 约 大 量 空 间 , 左 、右 手 都 适 合 操作10。9 “飞行员助手”机载计算机系统研制具有感知 、推理 、判断 、决策功能的人工智能系统 ,是减轻人的工作负荷的重要途径 。“飞行员助手”机载计算机系统就是一种具有人工智能的专家系统 ,能就关键功能 ( 如系统状态 、情况估计 、任务计划和战术等) 向飞行员提出意见 。其作用是为飞行员提供一些选择方案 ,而且使飞行员感到它所提供的选择是可以信赖的 。该系统具有指定领域中的逻辑技能 。人工智能

14、应用的一个重要概念是采用意图驱动 ,即飞行员只需要告诉飞机他想做的事情就行了 ,而不是以操纵来完成预定的任务 。根据该系统的预测能力 , 它能计算出所需目 标 的 适 当 航 迹 , 而 且 考 虑 地 形 、燃 油 消耗 、威胁气象和其它条件 ,选择最适当的武器和投放参数 ,最后计算脱离战区的航路 。这样 ,在人和飞机之间置入一个“会思维装置”,使飞行员要做的工作减少到只是照管要 实 现 的 目 标 和 作 出 决提示得到操纵反馈等 。98 综合控制系统该系统由显示器周边软键 、握杆操纵控制器 和正前方控制板组成 ,它们都是计算机辅助控制 器 。8 . 1显示器周边软键 软键即软件控制的按健

15、开关 ,装在显示器的周边 ,共有 20 个 。其特点是软键的功能随着选择 需要显示的系统或探测器的不同而改变 ,并把功 能标称显示在显示器靠近软键的位置 ,因此具有 多功能 。改写任务计算机的软件 , 就能重新定义 软键功能 。8 . 2握杆操纵控制器 它是一组装在驾驶杆和油门杆上的关键功能的控制器 ,用于操纵探测器和火控系统 ,选择和发 射武器 。例如 ,美国 F - 18 战斗在油门杆上装有定11。10机保护人的设计和装置现 代 战 斗 机 的 最 大 飞 行 速 度 已 超 过1 480 km/ h , 作 战 高 度 色 线 囊 括 高 、中 、低 空 , 尤其 是 最 大 持 续 过

16、 载 已 达 9 g 1 0 g , 其 增 长 大 于6 g / s , 可 使 2 5 %的 飞 行 员 发 生 意 识 丧 失 ( 简 称G - L OC) ,这已成为世界各国空军面临的严重问题 。为了保证飞行安全和扩大作战色线 , 除研究更先进有效的供氧 、抗荷 、弹射救生等生命保障系统外 ,有的先进战斗机上还装有“防超载荷系统和“意识丧失监测及恢复系统”。防超载荷系统可使飞行员过大的错误操纵动作失去作用 ,避免飞机产生超过载 ,进而防止飞行 员 发 生 昏 迷 。意 识 丧 失 监 测 及 恢 复 系 统 具 有G - L OC 生理监测 、生理干预和近地警告三个子系统 。G - L

17、 OC 生理监测子系统收集面罩内气体压力 、流率等信息 ,通过逻辑电路处理 ,区别主动和被动呼吸 ,依此鉴别出飞行员是否处于昏迷状 态 。当报出飞行员已发生昏迷 , 生理干预子系统 便通过视觉 ( 强光) 、听觉 ( 声响话音) 或触觉 ( 电 、 机械 、热等) 刺激 ,作用于飞行员 ,使他尽快苏醒过来 。除此 ,当飞机下降到预先装定的最低高度时 , 近地警告子系统便事先向飞行员警告 ,命令他及 时把飞机拉起来 。这样 ,通过对 G - L OC 的预感 和近地警告 ,并对飞机进行生理干预 ,达到对 G -L OC 的有效防护12 。综上所述 ,战斗机座舱显示与控制技术的发 展已进入到一个崭

18、新的阶段 ,即发展为智能化的 新的一代 。如果说 , 飞机座舱显示器的发展经历 了简单机电仪表 、机电伺服仪表 、综合指引仪表 、 电子显示仪表和综合电子显示系统 5 代 ,那么就可以说 ,现在已进入了“智能化显示系统”的第 6 代 ;飞机座舱控制器的发展经历了分立式专用机 电控制器 、组合控制器和多功能控制器 3 代 ,而现 在则进入了“智能化控制系统”的第 4 代 。参考文献Weekly ,1993 ,10 (23) :29 - 30 .Trends in Advanced Avio nicsM . 1996 :70 . Military Affairs ,1995 ,8 (8) :5 .

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