战斗机驾驶舱显示控制技术的历史和发展.doc

浅析战斗机驾驶舱显示/控制技术的历史和发展
摘 要：在综合化航空电子系统总体设计中，座舱显控系统历来是最受关注的设计技术之一。在“需求牵引、技术推动”下，其发展极其迅速。在此介绍了现代飞机座舱显控系统的基本要求，发展历史，未来发展趋势。
关键字：座舱显控系统 显示器 控制器 历史 发展
自莱特兄弟1903年发明飞机一百年来，座舱人机接口经历了由机电到电子、由硬线连接到总线多路传输、由空分制到时分制、由专用到多功能，由分立到系统的漫长发展过程。显示器（人的信息输入接口）经历了简单机电仪表、机电伺服仪表、综合指引仪表、阴极射线管电子显示仪表、综合电子显示系统的发展阶段，目前已进入液晶（平板显示器）综合电子显示系统时代。而控制器（人的信息输出接口）则经历了机电控制器、可编程控制器、多功能键盘控制器、触敏控制显示屏，正向话音识别控制系统发展。
1. 基本概述
飞机座舱（更确切地说驾驶舱）是飞行员（驾驶员）等空勤组成员在飞机上容身护体和操纵飞机及其系统的专用舱。除了生命保障和环境控制设备以外，座舱主要由显示器和控制器--人机接口（驾驶员与系统界面）组成。由此看来，飞机座舱人机接口自然是典型的重要飞机电子信息系统--综合航空电子系统--的组成之一。
战斗机的座舱显示与控制(显控)系统是飞行员和飞机之间传递信息的界面,由显示和控制两部分组成。显示部分是飞行员获得信息的界面，而控制是飞行员发布指令的界面。飞行员从座舱显示系统中获取飞行时的必要信息，如飞机姿态、飞行高度等飞行参数，以及敌方飞机的战斗状态和地面防空火力分布等信息。飞行员还需要通过控制系统操纵飞机完成正常飞行、战斗空中集结、加油等任务。在战斗机上安装的航空仪表是飞行员操纵飞机执行作战任务的核心部件，飞机航空仪表的显示和控制不仅反映飞机的综合设计制造水平，更是飞机战斗力的集中反映。对飞行任务、作战使命的完成起到至关重要的作用，战斗机座舱显控系统的先进程度直接影响飞行任务完成的质量。因此，座舱显控系统一直以来也是各航空大国战斗机研制水平的重要标志之一。
在20世纪70年代，美国空军就开始制定数字航空电子信息系统（DAIS）计划，在系统结构、功能分配、信息处理、总线传输、电子显示和键盘控制等领域开发了很多先进技术。其后美国海军的先进综合显示系统（AIDS）计划又进一步加强座舱显示控制系统技术研究。它们为现代综合航空电子系统--局域军用电子信息系统--奠定了基础。
2.座舱显控系统的发展历史
飞机座舱显控系统的发展与飞机仪表的发展有着密切的联系，伴随着飞机仪表的种类越来越多，飞机的显控系统也越来跃复杂。二十世纪50年代后，随着计算机的发展，航空电子在飞机上的应用越来越广泛。目前军用飞机仅仅是作为装载高科技航空电子设备、仪表、计算机和武器系统的一种平台，其整个机身的造价已越来越低，而机载电子仪表设备的费用则越来越高，如“台风”战斗机上的电子设备超过整个飞机机身造价的60%，而飞机机身的费用不超过整机的20%。仪表设备的发展要求，座舱显示的数据越来越多，对显控系统的发展提出了更高的要求。座舱显控系统是现代战斗机研制水平的重要标志。
2.1 机械式仪表阶段
飞机在引入仪表之前，仅仅是在白天进行目视飞行，后来引入了简单的机械膜盒式仪表，高度、速度仪表为飞行提供了一定的安全保障，机械膜盒式仪表利用膜盒感受外界的气压，将压力值转化为高度、速度数值再通过机械连杆带动仪表指针在刻度盘上显示数值。它具有感受、传送和指示环节，作为最早期的仪表开始应用，同时这种仪表是最简单耐用的仪表，虽然误差较大，但很少出现故障，甚至在部分第三代战机上仍然作为备分仪表存在。早期因为仪表种类少，仅需在座舱上显示高度、速度等简单的参数，不需要复杂的显示系统，容错性和放错性功能很小，这时还没有提出显控系统的概念。
2.2 机电式仪表阶段
在20世纪20一30年代在简单机械膜盒式仪表后，其它机载仪表设备相继出现，特别是以经典力学为基础的航空陀螺仪表的应用在飞机上，飞行员开始根据地平仪等机电式仪表飞行。这是航空仪表发展具有里程碑式的第一次变革，标志着飞机的机电仪表时代。机电仪表和简单仪表指示一样既利用显示元件的相对位移来显示信息。例如利用指针和刻度盘、游标与标记符等。航空仪表普遍具有感受、转换、传送、放大、指示等环节，而且普遍特点将受感信号转换成电信号进行传送，在指示部分应用电机带动指示部分。电信号主要以模拟量和离散量的形式在仪表中传送、放大工作，这是第二代飞机仪表的主要形式。
此时的航空仪表往往很单一，自身完全是独立的系统，机载仪表具有单独的传感器和传送机构，在机身占有一定的体积，在仪表板上拥有自己的独立显示控制的空间，对某种单一的航空参数进行显示控制，例如姿态仪表地平仪、航向仪表陀螺航向位置指示器、油量表等都独立存在。因而在座舱设计中往往把座舱划分为若千个区域，来显示不同的信息，此种座舱布局称为“空分制”。“空分制”的座舱仪表分布的优点是：便于飞行员同时掌握多种信息，简单明了；缺点是信息显示分散、数量种类繁多，整个座舱显示复杂，仪表排布很拥挤，飞行中要求飞行员要合理分配注意力，对飞行员身体和心理都有很大的压力。随着飞机科研水平的提高，飞行信息量的极大增加，仪表的拥挤、杂乱的现象更加突出了，后来设计人员根据仪表的重要性和使用频率以及相互之间的联系重新排布，对仪表重新合理的排列，形成了“T”行排列等布局，广泛应用在第二代战斗机上。
在机电仪表广泛应用在飞机之后，随着数字电子技术的发展，机电仪表向集中测量、处理、显示为一体的数字式信号航空仪表发展，例如大气数据计算机系统，系统通过对测量的信号集中处理处理，通过数字传送、计算分别给多个系统和仪表应用、显示。结果使航空仪表的指示更加准确，减轻了飞机的重量和减少了飞机体积，仪表也通过综合指引显示，机电仪表的加工工艺得到改进，仪表经过小型化、组合化处理，仪表的性能大大的提高。但此时仪表的排布仍然采用是“空分制”，仪表拥挤、杂乱，分散飞行员注意力的现象，无法克服解决。这种仪表分布是第二代战斗机的标志，同时也是二代战机难以改变和克服的缺点。
2.3电子仪表阶段
60一70年代飞机性能大幅的提供，飞机要求在高空、高速、作战环境复杂的条件下工作，原有的航空仪表处于离散控制的空分制座舱，使飞行员的工作压力日益繁重，即原来的仪表形式已经难以满足当时的工作需要，这时产生了以平视显示器和多功能下视显示器等为代表的电子飞行仪表它采用电子发光来显示信息，它通过执行不同的控制指令就可以改变显示的参数和数值格式。这种电子仪表具有分别测量、传送、集中处理，整体显示，通过电子仪表的周边按键控制仪表的指示，使其在同一显示区间，在不同时间显示不同的信息。仪表的形式己经变革为屏显的形式，这是航空仪表发展具有里程碑式的第二次变革，仪表的显示进入“时分制”时代。电子仪表开始应用是第三代战斗机的航空仪表的主要形式，而此时机电仪表则被取代消失或者某些重要的机电仪表作为备分系统存在。电子仪表主要有以下几种优点：1.电子仪表可以一表多用；2.电子仪表由计算机控制可以实现按需显示；3.电子仪表显示的形式多种多样。
3. 座舱显控系统的基本要求
座舱人机接口的发展首先取决于驾驶员的需求，其次是显示和控制技术的可能性。驾驶员在完成飞行任务时的最大需求是在各个飞行阶段都能进行情况了解，从而据此作出决策并采取行动。情况了解（SA-Situation Awareness）可以简单定义为"了解在相当大空间范围内敌我兵力目前和近期部署。"其广义的定义为"在相当大时间和空间范围内感知环境诸要素，理解其意义及不久将来的状态。"情况了解的多少和优劣取决于获得信息的质量和数量及其转化为行动的难易程度。美国空军参谋部则把情况了解定义为"驾驶员连续不断感知相对于飞行、威胁和作战任务动态环境的自身和飞机并能够预测，然后根据这种感知执行任务。"这表明，情况了解构成复杂，包含感知、处理和理解数据，预测、作出决策并行动。其中任何环节出问题都会使情况了解变差和效能欠佳。因此，座舱人机接口的重要目标就是最大限度改善驾驶员的情况了解。
驾驶员的情况了解按其是否直接依靠自己感官--主要是视觉--可分为两种：视距情况了解和超视距情况了解。视距情况了解是在驾驶员视力所及空间范围内（一般只有数千米）亲眼（裸眼）实时了解敌我态势，主要用于近距目视导航以及对空和对地作战，因此也称战术情况了解（Tactical SA）。超视距情况了解一般指包含本机在内的300千米视力达不到的空间范围特别是本机前半球内借助于机内外传感器提供信息了解敌我态势，与前者相比，它也称为全局情况了解（Global SA）。
近些年来，正是这两种不同的需求更明确更主动地促进着座舱显示器迅速发展。平视显示器的普遍应用和头盔显示器日益受到重视就是为了满足视距情况了解。而数字地图战术情况显示器的推广应用和尺寸不断加大以及三维透视全景情况显示器的研究正在适应超视距情况了解的需求。
3.1安全性
安全性是飞行任务完成的前提条件。飞行员完成飞行任务的过程主要包括进出座舱、正常飞行、机动飞行、仪表飞行、武器发射、起飞着陆、迫降、跳伞等。显控系统的设计应尽量避免飞行员操作错误。飞行员在飞行过程当中有时不能及时准确的做出正确的判断和操作,这些错误操作有可能危及飞行安全。显控系统在设计时应具有一定的容错性和放错性。
3.2简约性
随着信息化战争的飞速发展，飞行员需要掌握的信息非常多。为了减轻飞行员的负担，应简化显控系统显示的信息，采用分时显示的方法。根据飞行任务的不同，显控系统有选择的显示在当前任务下飞行员最关心、最需要的信息。座舱的显示系统要提供给飞行员最直观的信息，使飞行员迅速而准确获取信息。显示的图形画面要清晰，文字符号要易于判读。座舱的控制系统要合理布局。现代战机座舱的电门、按钮较多，功能不一。设计时应合理布局，要保证各种飞行状态下，飞行员都能触及。常用的装置要安放在飞行员方便操作的位置，特殊装置或者应急装置要涂装醒目的颜色。
3.3继承性
飞行员在飞行生涯过程中都不可能只飞一种机型。更多的情况是，飞行员根据个人的条件和能力或者飞机更新换代时，改飞其他飞机。这时，座舱显控系统的延续性和继承性将给飞行员带来很大方便。前一种飞机上已经熟练使用的显示和控制设备全部或者大部分在现飞机型上使用，使飞行员能尽快的熟悉新机型,最短时间内形成战斗力。
3.4友善性
现代科技以人为本，在现代军机的座舱显控系统的设计中也越来越多的考虑人的因素。友善的人机界面能使飞行员心情愉悦。人机界面的美观与否不仅仅是感觉的问题，它也影响到人的心理和生理状况直接关系到飞行员能力的发挥，甚至关系到飞行的安全。
4、现代战机座舱显控发展趋势
头盔显示器和大尺寸有源阵液晶显示器是未来战斗机驾驶舱的显示方式，而今天普遍采用的平显从JSF开始将逐步退出战斗机驾驶舱。三代半战斗机“台风”、“阵风”和JAS39“鹰狮”以及第四代战斗机F-22有一个共同特点是单座机。在未来战争中，仅由一名飞行员完成目前需要由二人（例如F-14、F-15E）完成的复杂作战任务，这无疑对驾驶舱人机接口的显示/控制系统提出了更高的要求。因此，为了减轻驾驶员的工作负荷和增强其情况了解（SA），这些战斗机都尽可能地采用或分阶段地逐步采用成熟的先进显示/控制新技术。
随着新军事变革思想的提出和发展，现代战斗机即将面临复杂甚至极端恶劣的战场环境，在多维立体化条件下执行多平台多任务的高度信息化作战方式，为了掌握作战主动权，驾驶员必须获得清晰、真实和全面战场态势感知，同时做出迅速准确的判断，抓住战机，攻击目标。态势感知，致使座舱显示“信息爆炸”；战机的稍纵即逝又要求战机具有良好的控制性能。未来战斗机为了隐身，会减小座舱空间，进而缩小座舱显示面积。这些因素给未来战斗机座舱显控系统的设计带来了极为严峻的挑战。在未来战争对战斗机座舱显示控制系统的需求牵引下，随着现代高新技术的发展和推动，国内外信息显示和控制专家提出了各种先进的座舱显控概念。
4.1全景座舱显控系统
1990年，美国空军研究实验室提出了“全景座舱控制和显示系统(PCCADS)”计划。同时，美国麦道飞机公司提出了“大图像”智能化座舱的概念。后来，由美国莱特研究和开发中心(WRDC)与麦道飞机公司联合试验和验证了PCCADS概念。该方案主要面向21世纪战斗机座舱，目的是为了解决驾驶员在低能见度和恶劣气候条件下的态势感知，以及头盔离轴目标截获武器瞄准等问题。
基于“大图像”全景座舱显控系统，主导思想表现在三个方面：(l)采用大屏幕显示器显示超视距全局SA，主要是正前方和下视战场态势信息，大大增强驾驶员对战场态势的知晓。图形图像支持二维、三维和四维显示，支持全屏、分屏、开窗、叠加和镶嵌等；(2)采用头盔显示器作为视距战术态势感知的主显示器，实现大离轴目标获取武器瞄准；(3)采用握杆操纵控制、触敏控制、头位跟踪和控制技术实现多通道综合控制。

F一22座舱显控技术就是基于“大图像”全景座舱显控系统，该显控系统由1个平视显示器和6个下视显示器组成。其中广角全息平视显示器视场为20度*30度，配有联合头盔指示系统。6个下显分三类：1个8英寸主多功能显示器，3个6英寸辅助多功能显示器，2个3*4平方英寸前上方显示器，每个显示色彩为5级灰度，全部采用平板AMLCD，总分辨率为135万像素，显示总面积201平方英寸。
4.2超级全景座舱
上世纪90年代末期，美国空军研究实验室的高级显示器专家Hopper提出了超级全景座舱(SPC)概念，主要目的是为了适应未来战斗机的无窗口座舱的显控需求。SPC方案将建立一个大屏幕中心显示器，左右各有一个环绕座舱内壁的大型曲面显示器，以期达到拥有100°以上视野的下视显示系统。另外，由一组平板显示器组成的全景平视显示系统将在飞行员视觉正前方建立第二个100°视野，提供夜间、嘲湿结冰天气、激光作用下的飞行能力。在座舱盖的设计方案中，近期目标采用座舱盖遮蔽帘，远期目标是实现曲形座舱罩显示系超级全景座舱方案除了向飞行员提供最大范围的全景显示以外，还将综合有语音控制和触敏控制功能，从而减轻飞行员的工作负荷，提高作战和防御能力。
4.3虚拟座舱
根据虚拟现实技术在有人和无人战斗机的应用情况，虚拟座舱可以分为两个方面的研究内容:有人战斗机虚拟座舱(VC)和无人战斗机洞穴自动虚拟环境(CAVE)。
有人战斗机虚拟座舱是一种超越SPC的方案，又称为“浸入式”座舱。它由计算机虚拟环境发生器、头盔显示器、交互式大屏幕显示器、声音告警系统、话音识别器、头/眼/手的测量、定位和跟踪系统以及触觉/动觉系统构成。虚拟座舱能使人进入一种封闭的虚拟环境，通过人机接口输出三维视觉、听觉和触觉信息、多通道刺激人的感观，在人头脑中形成身临现实环境的感觉。同时，它还能接受人手指的动作、话音、头眼指向多通道控制信息，实现真正的人机交互。利用虚拟座舱技术，能增强驾驶员态势感知，摆脱常规任务，减轻工作负担，大大提高工作效率，并实现座舱显示/控制的综合化和智能化。
无人战斗机洞穴自动虚拟环境，无人战斗机的飞行依靠操纵员的遥控，操纵员位于控制室，即位于空中指挥所或是地面空勤位置。操纵员依靠虚拟环境，如洞穴自动虚拟环境显示控制系统来控制无人机。洞穴自动虚拟环境是一个由大屏幕显示器构成的房间，图形投影在三面墙和地板上。来自飞行中无人战斗机或某些机外信息源的探测器视频信息充满整个房间。通过虚拟显示技术，操纵员可以“浮”在飞行中无人战斗机之内。
4.4四维显示座舱
所谓四维显示，就是指在空间三维信息外还加上了一个带有预见预测信息的时间维的显示。即在三维立体显示的基础上加上预见预测信息，使置身于座舱内部的驾驶员不但能直观地得到飞机三维真实飞行的信息，还可以得到飞机的预见轨迹和飞机在未来一段时间内的预测输出状态(时间维信息)。因此飞行员就可以更好地实现对目标信号进行无延迟地跟踪。四维显示也是未来座舱显示器发展的趋势。其主要的关键技术包括预见预测多功能座舱显示器、最优预见控制理论、智能误差信号显示控制理论、智能误差信号显示等。
5.结束语
在未来的战争中，传统的座舱布局和座舱显示控制系统，己经无法满足综合信息显示与控制的需求。随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展，座舱显控系统将朝着数字化、综合化、人性化方向发展。使飞行员能够更好的操纵飞机，适应信息化条件下的战争。

参考文献
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