教練機綜合備份導航顯示系統(tǒng)研究

趙 影，張明明，方佳在，周長明

(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，教練機的備份導航系統(tǒng)由最初單一的應急磁羅盤，發(fā)展到應急磁羅盤和應急地平儀，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)歷了漫長的過程，取得了令人矚目的成績。隨著綜合水平的提高，不僅增強了系統(tǒng)功能、提高了系統(tǒng)可靠性，同時也提升了對各種飛機不同需求的適應能力。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，備份儀表的綜合化也越來越成為用戶廣泛關(guān)注的問題[1]。

目前綜合備份導航系統(tǒng)也逐漸實現(xiàn)了備份儀表由機電模擬顯示（應急磁羅盤、應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 教練機綜合備份導航顯示系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段多數(shù)教練機在主航姿系統(tǒng)失效情況下以應急儀表方式（即應急地平儀、應急磁羅盤）向飛行員提供安全返航所需航向、俯仰、橫滾等信息。其顯示儀表由機械儀表組成。由于機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]。隨著教練機性能提升，未來對備份導航系統(tǒng)的要求越來越高，顯示的信息日益增加，造成座艙儀表數(shù)量越來越多，儀表板擁擠，儀表利用率也低，進而導致飛行員負荷過重、差錯增加的出現(xiàn)。要解決這一問題，就必須采用綜合化的設(shè)計思路，發(fā)展綜合備份導航顯示系統(tǒng)。

2 綜合備份導航顯示系統(tǒng)

綜合備份導航顯示系統(tǒng)是一種時分制儀表[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、速度等信息同時顯示在一個顯示屏中，各種字符按一定位置和活動范圍被合理地編排組合或綜合在一起構(gòu)成一個完整的顯示格式。具有一表多用的優(yōu)點，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。綜合備份導航顯示系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1）座艙布局簡潔

綜合備份導航顯示系統(tǒng)整合了傳統(tǒng)飛機上必備的4個備用儀表（應急地平儀、空速表、氣壓高度表、應急磁羅盤）全部功能，將其信息顯示在一個顯示屏中，降低了飛行員負擔。

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，無法讀取精確數(shù)據(jù)。

綜合備份導航顯示系統(tǒng)采用液晶顯示器，利用內(nèi)部的圖形處理模塊，運用數(shù)字信號處理技術(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

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

傳統(tǒng)的備份儀表中高度表和空速表采用機械式結(jié)構(gòu)，無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。

綜合備份導航顯示系統(tǒng)由于采用數(shù)字化設(shè)計和液晶顯示方式，可以接收飛機發(fā)動機、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狀態(tài)信息，可以更好的保障飛行安全。

圖1 綜合備份導航顯示系統(tǒng)

3 某教練機綜合備份導航顯示系統(tǒng)

綜合備份導航顯示系統(tǒng)是集信號源和液晶顯示模塊為一體的導航系統(tǒng)，可實時輸出并顯示飛機當前的磁航向角、俯仰角、傾斜角、空速、氣壓高度及應急航姿備份顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信號。

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

當飛機主導航系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時，為飛機提供完成導航任務的能力，保障飛行安全。

3.1 系統(tǒng)組成（見圖1）

綜合備份導航顯示系統(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、飛機的過載信號、飛機的傾斜角、俯仰角、磁航向角等信息，可用功能鍵進行切換。

顯示器顯示航向、姿態(tài)、無線電方位、高度、速度等信息；可以與一體化儀表進行交聯(lián)，接收并顯示相應信息；也可以根據(jù)用戶需要與慣性導航系統(tǒng)進行系統(tǒng)交聯(lián)，接收并顯示相應信息。顯示器內(nèi)安裝備用電池，平時用機上電源供電，在飛機斷電情況下，可打開備用電池開關(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。

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展可根據(jù)用戶需要進行調(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串行信號等。

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

3.2 工作原理

綜合備份導航顯示系統(tǒng)采用微機械陀螺、微機械加速度計和捷聯(lián)磁傳感器來敏感測量飛機飛行過程中，沿機體三個軸向的運動角速率、線加速度信號及地磁信號分量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸給專用導航計算機（DSP數(shù)字信號處理器），并采用相應的航姿解算算法、誤差補償、溫度補償、擴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，并實時顯示在顯示屏上；應急航姿備份顯示系統(tǒng)接收大氣傳感器感測到的總壓、靜壓、總壓溫度和靜壓溫度，通過導航計算機解算出飛機的空速和氣壓高度信息，并實時顯示在顯示屏上。交聯(lián)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 某型教練機綜合應急備份導航顯示系統(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)磁傳感器用來敏感測量較為微弱的地球磁場分布信號，機上的鐵磁物質(zhì)材料和設(shè)備產(chǎn)生的電磁場，將直接影響傳感器的航向測量精度，因此該傳感器應被安裝在遠離機上含有鐵磁的物質(zhì)材料及工作過程中可能產(chǎn)生較強電磁場的設(shè)備位置，一般將其安裝在飛機的垂直尾翼或機翼端部位置處。在其安裝位置的近距離處，不應有含鐵磁物質(zhì)材料的零部件，固定捷聯(lián)磁傳感器的螺釘應使用配套的無磁黃銅螺釘。

4 結(jié)語

某型教練機的綜合備份導航顯示系統(tǒng)集信號源和顯示設(shè)備為一體，是獨立的姿態(tài)、航向、大氣數(shù)據(jù)信息測量與顯示系統(tǒng)，是未來的發(fā)展趨勢之一。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，整個系統(tǒng)優(yōu)點在于系統(tǒng)擁有自己獨立的傳感器，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，綜合備份導航顯示系統(tǒng)具有一定的先進性。