大飞机信息感知与驾驶舱显示

作者：中国航空无线电电子研究所 谢振球

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 随着计算机技术的引入，现代大飞机广泛采用了数字航空电子技术，满足了飞机信息采集、处理、传输、显示等各个方面的要求，可提高飞机、飞行员的态势感知能力以及飞行的安全性。飞行员主要通过航空电子系统获得飞机及周围环境的信息，并通过航空电子的帮助监视飞机状态，对飞机进行控制。 飞行员对信息的感知按来源可分为两类：一类是飞机本身的相关信息，主要包括飞机的位置、速度、姿态、航向、高度、发动机状态及飞机各个系统及设备的工作状态等信息；另一类是飞机周围环境的相关信息，主要包括空域内其它飞机动向、天气情况、空管指令、空域限制、地形等各个方面的信息。 飞机位置测量及主要设备 无线电定位设备 主要包括甚高频全向测距/无线电测距仪（VOR/DME）、指点信标（MB）、塔康导航台（TACAN）、无线电高度表、仪表着陆系统（ILS）等。这些设备都是通过计算与地面导航台相对位置来确定飞机当前位置。 惯性导航定位设备（INS） INS的核心是陀螺仪，通过对飞机运动过程中加速度的测量，并结合飞机初始位置进行计算，从而得到飞机当前的位置信息。作为一种自主式的导航设备，INS不受外界环境条件的影响，精度相对较高，因而在飞机上得到了广泛应用。 卫星定位系统 卫星定位系统目前在各个领域得到了广泛应用，具有全天候、精度高、用户容量不受限制等特点，正在逐渐成为飞机最主要的定位设备。 飞机速度测量及主要设备 大气数据系统（ADS） ADS通过对飞机附近大气压力和温度的测量，并采用计算机进行计算而得到飞机的各种速度和各种温度，是飞机进行速度测量的最主要设备。 惯性导航设备 通过对加速度测量也可以计算出飞机的速度，但是由于累计误差大，惯导测量的速度飞机不直接采用，而是通过采用大气数据系统提供的飞机速度，结合惯导设备对飞机航向的测量而计算出飞机的地速。 飞机姿态航向测量及主要设备 姿态航向测量系统（AHRS） AHRS是惯性导航设备的一种简化，主要的核心部件也是陀螺仪，通过对相对于陀螺平台变化的测量，计算出飞机的姿态和航向信息。 自动定向仪（ADF） ADF通过使用地面导航台或广播电台完成飞机的航向测量。 飞机高度测量及主要设备 无线电高度表（RA） RA是通过从飞机上发射无线电波，然后再接收地面反射回来的电波进行飞机相对地面高度测量的设备。RA在低空和中低空时精度较高，是中低空时（特别是低空）飞机进行高度测量的主要设备。 大气数据系统 大气数据系统通过对飞机周围静压的测量可以计算出飞机所处位置的气压高度，然后通过预设的机场气压还可以计算出飞机相对于机场的高度。目前在中高空，飞机主要使用大气数据系统测量的气压高度作为飞机的高度指示。 飞机的内部状态信息还有非常重要的一部份是与发动机相关的各种参数，如发动机的各种转速、各种油液的温度等，这些都需要相应的传感器进行测量。 飞机外界信息的感知 飞机通过空中交通防撞系统（TCAS）来感知空中周围正在飞行飞机的态势情况。TCAS借由一个雷达信标应答机来获取周边飞机的位置和方位信息，通过计算给出碰撞危险评估，并为飞行员提供避免碰撞的操作建议。 飞机通过气象雷达（WxR）来感知前方大气环境信息，如云团、雷雨区、风切变等。气象雷达测量发出去的雷达波束从云团发射回来的信号，从而获得前方云团的强度和范围。 在中低空时，为避免因地面复杂地形而导致的飞机撞山危险，飞机上采用了地形告警系统（GPWS/TAWS）。现代大飞机的地形告警系统根据飞机上预先存储的地形数据，以及实时测量的飞机高度、速度、姿态等数据，并结合飞机本身的特性，预测正在逼近的地形碰撞危险程度，并根据预定的告警门限值，在危险逼近时提出告警，并提供飞行员操作建议。 随着对在能见度不好条件下安全飞行的需求不断提升，采用新技术进行飞机外界环境态势感知的技术在大飞机上得到应用，主要包括：基于传感器的外界环境的感知；基于存储或获取的地形地貌、标志物等数据进行的飞机外界环境重建的合成视景技术。此外，还有一种非常重要的获取外界环境信息的方法是空地通讯，随着卫星通讯技术和能力的增长，卫星通讯在大飞机上得到了应用。 飞机上传感器的运用和综合 在现代化的大飞机如C919中，上述传感器都有采用。而且，出于对安全性和任务可靠性的考虑，大飞机同时装备了2套甚至3套传感器，如C919就采用了3套大气数据系统和3套惯性导航设备、2套VHF导航接收机、2套无线电高度表等。这些2套或3套传感器在飞机飞行时同时工作，飞机将对它们输出的数据进行比较，当数据不一致且超过了正常误差范围时，将给出告警提示飞行员注意。 此外，随着飞机系统综合化程度的不断提高，有些传感器进行了综合。例如C919就将感知外界环境的TAWS、WxR、TCAS等3个设备进行了综合，称之为综合监视系统（ISS）。目前传感器综合主要集中在处理资源上的综合和传感器的综合管理，用以减少设备的体积、功耗等，同时也可减少飞行员负担。未来的传感器综合将从目前数据处理的综合，拓展到信号处理综合再到天线的综合，可进一步减少设备的体积、重量和功耗。 信息在驾驶舱中的指示和显示 现代飞机驾驶舱内信息的显示经历了从机械式仪表盘到机电式仪表再到全电子显示器，目前已发展到了大屏幕的座舱综合显示阶段。同时，驾驶舱的布局、显示设备特性等也发生了巨大变化。 分立式机械及机电仪表驾驶舱 在早期的大飞机如波音B707、B727和DC-10中，飞机驾驶舱（图1）一般一个仪表只指示一个传感器提供的参数，所有飞机需要显示的相关参数等由多个分立式机械或机电仪表分别进行显示，机组人员负责监视各种仪表以了解飞机目前的状态。 电子显示器的玻璃驾驶舱 通过在飞机驾驶舱引入阴极射线管（CRT）显示器对飞机的各个参数进行集中显示，形成了玻璃驾驶舱的概念。第一代采用玻璃驾驶舱（图2）的飞机混合使用了小尺寸的CRT显示器和各种仪表，在显示器上除了显示飞行主要参数，还可显示飞机飞行计划和实际的飞行轨迹及相关航路点等信息，大大提高了飞行员的态势感知能力。 第二代大飞机玻璃驾驶舱（图3）包括目前正在广泛使用的波音737NG、空客A320系列、B777等飞机，主要特点是在大飞机的主仪表板上采用较大尺寸的CRT显示器，显示绝大部分的飞机内外部信息，仅保留了几个机械/机电式仪表作为紧急情况下备份使用。通过对显示信息的综合，在驾驶舱仅通过5~8个显示器便显示了飞机几乎所有的信息。 目前最先进的飞机驾驶舱是以波音B787（见开篇图）和A380及C919为代表的新一代玻璃驾驶舱，它们采用了大屏幕液晶显示器，实现了所有飞行信息在座舱显示器上的集中显示，并可提供字符、图形、图像、文本、图片、视频等各种不同信息的显示，大大提高了飞行员的感知能力，同时减少了飞行员的工作负担。另外，作为备份显示的仪表系统也被采用液晶显示的综合备份仪表系统（ISIS）所取代，实现了真正的全玻璃座舱。 在波音B787 飞机驾驶舱上部，飞行员的正前方我们还可以看到吊挂式平视显示器（HUD）成为了飞机的标准配置，这样飞行员就可以在正常目视窗外进行飞机前方环境监视的情况下，从平视显示器中获取叠加的引导信息和增强视景系统提供的外界影像，从而增强了飞行员对外界的感知能力，大大提高了在低能见度情况下飞机的起降能力和飞行的安全性。 如今，先进的空中交通管理系统、新一代防撞系统、自主式相关监视（ADS）、空地数据链通讯系统等不断引入航空电子系统，使飞机可获取的相关环境信息呈几何级数增长，这对飞机驾驶舱的显示提出了更高的要求。为应对此挑战，未来驾驶舱可能采取的措施有：采用更大尺寸的显示器 ；更多地采用三维显示技术 ；进一步对显示信息进行综合。(end)

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