現代民用飛機ATC數據鏈人機交互界面研究與設計

摘 要：ATC數據鏈的應用極大的改善了傳統的語音通信，其人機交互界面的設計對飛行員的操作有著舉足輕重的意義。文章分析了ARINC 623和DO-219規范文件，研究了基于多功能顯示技術的ATC人機界面一體化技術，創新性的提出采用大屏幕顯示器代替傳統的MCDU，給出了完整的設計方案。該技術的研究，有效的提高了ATC消息的可讀性和可操作性，降低了飛行員的培訓成本。

關鍵詞：數據鏈 ATS ATC CPDLC MCDU

中圖分類號：V241文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0023-02

1 引言

除了傳統的語音通信，數據鏈技術的應用是現代空中交通控制技術實現的基本保證及補充。與傳統無線電語音通信相比，數據鏈通信具有明顯的優勢，例如：信噪比高，有長期記憶通信信息的能力，可供飛行員隨時查閱；通過數字通信的時分多址技術解決信道帶寬的擁擠問題；可提供動態高效率的信息交換；減少由于語義理解錯誤造成的操作失誤等；提供減少飛行員負擔的可能性，易于實現民航未來的自動控制和駕駛[1]。

現有飛機數據鏈系統的人機交互界面一般使用MCDU實現，MCDU的每一個行選鍵可以根據需求定義，但是由于MCDU屏幕小，限定了可顯示的行數和每行的字數，使得數據鏈系統在MCDU上的實現需要通過非常繁瑣的操作。先進的民用飛機已經開始淘汰MCDU，而用多功能顯示器取而代之。

本文以多功能顯示器作為數據鏈人機交互界面的實現手段，結合ARINC 623 ATS[2]和DO-219 CPDLC[3]，實現現代民用飛機ATC數據鏈人機交互界面的設計，旨在給飛行員一個簡單，易懂，可操作性強的顯示界面。

2 ATC人機交互界面一體化設計研究

2.1 基于多功能顯示技術的ATC人機交互界面研究

基于多功能顯示技術的ATC人機交互界面研究主要由兩部分，顯示器和操作控制單元。顯示器是飛機顯示界面，通過多功能顯示器，ATC人機顯示界面就可以脫離MCDU固定的格式與風格，實現自由定義；飛行員通過操作控制單元（民用飛機上使用多功能鍵盤和光標控制器控制）對顯示器上顯示的消息進行操作，實現對飛行員對數據鏈操作步驟的簡化。

本設計中，ATC人機交互界面設計包括多功能顯示器，光標鍵盤組和CPDLC快速響應控制按鍵。

2.2 ATC人機交互交互界面設計

2.2.1 多功能顯示器

本設計中采用基于ARINC 661總線的顯示器，基于ARINC661總線的顯示系統的顯示格式風格可以完全自定義，在一個頁面上可以給飛行員提供更多更完整的信息。顯示器1：1分屏設計分別給正、副飛行員提供ATC數據鏈顯示。

2.2.2 光標鍵盤組

光標鍵盤組分為多功能鍵盤和光標控制器。多功能鍵盤提供控制顯示器顯示ATC消息頁面的快捷鍵，用于機上ATC請求報告等消息的操作；光標控制器用來控制顯示器上光標的位置；光標鍵盤組的使用使得在駕駛艙的操作更像在操作家用電腦，操作變得更得心應手，也更容易被操作者接收。

但是值得注意的是光標控制器的設計必須考慮防抖，飛機飛行時帶來的抖動不可避免的會使光標隨著光標控制器滾輪的抖動而晃動。

2.2.3 CPDLC快速響應控制按鍵

根據DO-219的定義，飛行員對CPDLC消息的響應包括WILCO、UNABLE、STANDBY、ROGER、AFFIRM和NEGATIVE。但是，考慮到在飛機抖動的時候在顯示器上靠光標鍵盤組去操作響應會出現選不中按鍵的情況，在這里，按照響應的重要性，本設計將WILCO、UNABLE和STANDBY單獨提出來做成硬按鍵的形式，提供的可操作性，同時也對光標鍵盤操作提供了冗余，提供了系統操作的安全性。

2.2.4 ATC消息顯示界面

需要飛行員操作的ATC主要包括ARINC 623里規定的ATS消息，DO-258的FANS 1/A+（其中DO-219中定義的 CPDLC消息作為附件包含在DO-258中）， ED-110B的LINK2000和ES-116的LINK2000+。本文著重分析ARINC 623 ATS和DO-219CPDLC的消息。

ARINC 623 ATS 報文包括DCL、OCL、ATIS、TWIP、PUSHBACK、TAXI和FSM七種[2]。DO-219 CPDLC報文包括RESPONSES、VERTICAL、SPEED、ROUTE、LATERAL、CLEARANCE、NEGOTIATION、VOICE CONTACT和FREE TEXT等[3]。

利用多功能顯示器能對顯示風格自由定義的特點和以減少飛行員工作負荷為目的，對ATC消息顯示重新組織，分為連接狀態管理、上行消息顯示、下行請求編輯、報告編輯和應急報告5個類別。見（圖1）。

和傳統顯示相比，本設計采用更趨近于“OUTLOOK”郵件的形式，其可讀性更強，可操作性更好。如（圖2）為多功能顯示器1∶1分屏后ATC顯示區域。

（1）ADMIN

ADMIN頁面的內容主要包括ATC連接管理和連接狀態顯示，例如“ACARS VHF FREQ： 120.000 MHz”，“ATN VHF NOT AVIABLE”。如（圖3）所示。

（2）REQUEST

REQUEST頁面主要負責飛行員給空管發送下行請求，左側樹形結構列出了ATS和CPDLC中飛行員可編輯的下行請求；消息主題存儲區域按時間顯示已經編輯過的下行請求，包含目的地和消息狀態，如果消息超出顯示范圍，右邊會出現滑動條。消息內容瀏覽區域顯示當前完成的下行請求消息或是光標選中的消息，值得一提的是，飛行員可以選擇類似的下行請求進行消息再編輯，這時飛行遠只需改變個別數據即可完成整條消息，大大提高了使用效率。軟操作按鍵區域顯示消息的可操作軟按鍵。如（圖4）所示。

（3）REPORT

類似REQUEST頁面，REPORT頁面主要負責對空管報告信息，消息內容瀏覽區域默認為最新的報告或是光標選擇的報告。如（圖5）所示。

（4）UPLINKS

ATC的上行信息將在這里顯示，信息到達時會給予提示，（圖3）中消息內容瀏覽區域默認顯示最新一條信息。消息主題顯示區域存儲了所有上行消息，可以按照不同的屬性排列。針對不同消息分類，需求飛行員響應的按鍵在軟操作按鍵區域顯示或隱藏。對于只需要簡單響應的消息，飛行員只要簡單的點擊“WILCO”、“UNABLE”，計算機會自動根據飛行員的操作反饋“接受”或“拒絕”給空管。對于要求飛行員發送ATC報告的消息，當飛行員點擊接受過后計算機會自動跳出ATC報告頁面。對于可以加載到飛行管理計算機的消息，軟操作按鍵區域會顯示如“LOAD FMS”的按鍵來提示飛行員可以加載到FMS。UPLINKS人機交互顯示如（圖6）所示。

（5）EMER

應急報告顯示頁面作為一個快捷頁面冗余存在與下行報告頁面外，在緊急情況下，飛行員如果需要使用ATC，必須保證飛行員能快速的打開應急報告頁面進行操作，避免過多無用操作或是花時間來尋找。

3 結語

目前民機現役主要機型中，ATC的應用都是基于MCDU設計的，但是新型飛機，傳統的基于MCDU的顯示風格和內容局限等特性大大限制了駕駛艙的職能化發展。基于ARINC661的大屏幕顯示器作為先進飛機駕駛艙最直觀的特征，最終會在民用飛機上普遍應用。但是國內基于大屏幕ATC人機交互的設計尚屬空白，本設計基于大屏幕顯示，使用電腦上最常用的OUTLOOK郵件顯示風格，使ATC消息可以實時完整的顯示，大大提高了ATC消息的可讀性和可操作性。這樣的顯示也可以幫助縮短飛行員培訓時間。

參考文獻

[1]陳紹煒，張安，CPDLC 交互通信人機界面設計研究[J].西北工業大學學報，2000，20（3）.

[2]RTCA DO 219.Minimum Operational Performance Standards for ATC Two Way Data L ink Communication，1993.

[3]ARINC SPECIFICATION 623-3 CHARACTER-ORIENTED AIR TRAFFIC SERVICE（ATS） APPLICATION，2005-04-25.