机载座舱显控系统的发展历程和未来趋势

机载座舱显控系统的发展历程和未来趋势

袁潜,汤韦

南京全信光电系统有限公司 江苏南京 210003

摘要：座舱显示控制系统是综合化航电系统中的重要组成部分。本文介绍了国内外机载座舱显控系统从一代显示仪表到四代综合仪表的发展概况，展望了未来座舱显示系统的发展趋势。

关键字：座舱，显控系统，发展，趋势

1引言

座舱显控系统是指飞机座舱内把航空电子系统的显示和控制按功能综合而成的人机交互系统。飞行器的座舱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构成。显示部分是操作人员获取得飞机设备信息的界面，而控制部分是操作人员输出和发布指令的界面。

随着科技的不断发展，座舱显控系统也由早期的分立仪表、机电伺服仪表发展到现在综合化、数字化、自动化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和网络化的综合电子信息系统。因此，座舱显控系统的技术发展水平是各航空大国综合航空电子研制能力的重要标志和象征[1]。

2国内外座舱显示控制的发展

2.1 国外座舱显控

2.1.1 第一代飞机仪表

从20世纪30年代起，第一代飞机仪表的座舱显示主要安装了简单的机械和电子仪表，如空速表、高度表和升降速度表等。由于这些机械仪表比较简陋，指示精度差，飞行员主要还是依靠目视来观察地标进行飞行操作。

后来，相继出现了转向仪、地平仪和罗盘等飞行仪表，飞行员使用这些仪表可获得飞机的航向、俯仰和倾斜信息，即使在不具备目视的条件下，也能准确的获得飞机状态和自身定位，由6个仪表组成的“盲飞仪表板”是第一代飞机仪表的标准布局，如图1所示。

图1盲飞仪表板示意图

2.1.2第二代机电伺服仪表

20世纪40年代以来，随着航空技术的发展，无线电导航、自主式导航和仪表着陆系统飞速发展，大大提高了飞机空中定向、定位和飞行引导的精度，机电伺服仪表应运而生，与早期仪表相比，机电伺服仪表具有传输距离远、指示精度高、仪表多样化等优势。早期代表机型有美国的F-86和苏联的米格-15等[2]。

2.1.3第三代综合指引仪表

到20世纪50年代后期，随着作战任务能力要求的提高以及电子设备输出信息的增多，飞机上的仪表指示器数量也迅速增加。增加了飞行员的识别难度，且机电仪表内部机构复杂，可靠性差。此背景下，三代机座舱仪表的综合指引仪表得到了发展和应用。综合指引仪表把原来单一功能的机电伺服仪表的功能综合起来，并将无线电导航、自主导航和处理后的飞行引导信息综合起来，一并进入指示器。不但可以显示飞行状态信息，还可显示指引、引导信息，用于指导飞行员正确操纵飞机和机载设备，也替代了飞行员的部分脑力劳动。

2.1.4 CRT电光显示仪表

20世纪70年代后，CRT电光显示的电子仪表成为航空仪表的主要形式。座舱显控系统主要采用平视显示器、垂直状况显示器和水平状况显示器的组合式电子显示系统。然而，这些显示器只是机械结构上的组合，如果其中一个显示器发生故障，其它显示器无法显示故障显示器原先显示的内容，因此可靠性相对较差。

而后，一种采用具有资源共享、互为余度的综合座舱显示系统被广泛应用。该系统主要由平视显示器和3台下视显示器组成。每台显示器都通过1553B多路传输总线与综合航空电子系统的任务计算机通信，并从雷达、外挂物管理系统和油门杆的握杆操纵控制器接收信息。另外，平视显示器的正面壳体上加装了正前方控制板，其上有通信导航识别系统的键盘、快速暂存显示器以及一排功能键，有利于飞行员保持平视飞行。这种被称作“一平三下”座舱显控系统是三代机的主要形式和经典布局。

2.1.5综合液晶显示仪表

20世纪90年代，有源液晶矩阵技术得到快速发展和应用，它克服了CRT显示器体积大、功耗大及制造复杂等缺点，实现了小型化、轻量化、阳光下清晰度高、高分辨率、亮度可调和高可靠等特点，同时具备支持多路视频和图像的叠加输出、3D数字地图显示和画面旋转等功能，大大提升了飞行员的综合态势感知能力。

2.2 国内座舱显控

上世纪以来，我国航空事业发展迅速，但在三代机前大多采取技术跟随的策略。进入21世纪前，我国第一次采用自主研制的有源矩阵液晶显示模块为显示模块取代CRT显示器。随着显示技术的进步，2011年国内成功推出了机载智能显示器；2014年以来，国内成功研制了大尺寸液晶显示器，实现了集成化、综合化的大屏综合显示。随着高清高质量画面显示、信息数据准确采集、快速响应和图像高速切换、高可靠性等关键技术的不断突破，国内机载座舱显示技术已经逐渐缩小了与国外航空强国之间的差距[3]。

3座舱显控系统未来发展趋势

随着新技术的发展及其在航空工业中的应用，机载座舱显示控制技术有很多突破性的进展，智能化显示、虚拟显示技术、增强/合成视觉系统和声音告警系统等新技术在飞行器中的应用，使其作战性能产生了质的飞跃。国内外领域专家提出了多种先进的未来座舱显控系统模式，虽然这些技术可能还没有真正应用到装备上，但可以据此判断未来座舱显控系统的技术发展趋势。

3.1 全景座舱显示控制系统

全景座舱显示控制系统的基本设计思路体现在三个方面：①采用大屏幕显示器显示包括正前方和下视在内的超视距战场全局态势，以增强飞行员对战场态势的全面综合感知；②采用头盔显示器替代传统的平视显示器，作为视距战术态势感知的主要显示终端；③采用握杆操纵+触摸屏控制的跟踪和控制技术实现多通道综合控制。全景座舱显示系统，即用整个仪表板构成可触屏控制的全景显示器大屏，显示内容和显示布局完全可以控制。在作战过程中，显示器可以任意定制或划分为若干个不同大小的“小视窗”，视窗内能够显示传感器提供的战术瞄准信息以及机载武器状态、飞行状态数据、威胁、提示与告警信息等。

3.2 虚拟座舱

虚拟座舱是模拟仿真技术和虚拟现实技术（VR）在航空领域的重要应用案例。通过使用虚拟现实技术，座舱内的操纵装置和仪器仪表等都被虚拟地显示在飞行员的护目镜上。通过虚拟视网膜显示（VRD），将调制过的对眼睛安全的激光光束直接投影到眼睛的视网膜上，从而产生一个光栅化的图像。

虚拟座舱要求舱外的实景和舱内的视景都用计算机生成，包括座舱仪表、开关、飞行员手部等。同时，所有可触摸操作的部分均应与实物保持1:1的比例。虚拟座舱能使操作者进入一种逼真的、封闭的虚拟环境，通过人机接口通道输出三维的听觉、视觉和触觉的多感官信息；同时接收人的手部和头部动作，以及声音、眼睛指向等多通道控制信息，实现复杂的人机交互[4]。

3.3 四维显示座舱

四维显示是指除了有三维空间信息显示外，还有预测信息的时间维的显示，这样可以帮助飞行员更好地实现对目标信号进行不间断、无滞后的实时跟踪。四维显示应根据现实世界的地形关系预测未来的飞行状态，实现连续、完整、自然直觉和预测空间态势感知能力。

4 结论

机载座舱显控系统在新技术、新材料、新工艺发展和实际应用需求推动下日新月异，正不断向综合化、智能化等方向发展。采用高可靠、一体化大屏幕显示终端是未来飞机座舱显控系统的趋势，人工智能、数字孪生和虚拟现实等新技术也会加快工程化应用和结合的步伐。国内相关科研单位应以需求为牵引，以世界先进技术为标杆，依托重点型号应用，在自主可控的前提下，大力推进大屏显示核心技术的攻关研究，尽快解决和突破工程化应用的瓶颈，缩小与国外差距，实现超越[5]。

参考文献

[1] 孔渊， 陆虎敏. 未来战斗机座舱显控系统发展动态[J].航空电子技术,2006,37(3):33-37.

[2] 李洋，谢新月，曹成哲，浅谈现代战斗机座舱显控系统的现状与发展趋势[J]. 科技资讯,2009(12):15-16.

[3] 吴卫玲, 李林, 陈遵银, 等. 军用飞机座舱显控技术[M]. 北京:航空工业出版社,2016.

[4] 李忠良, 刘嘉琪, 陈仁军, 等. 机载座舱显示发展趋势及关键技术[J].光电子技术,2018,38(03):70-74.

[5] 邢新强, 李国超, 肖锋. 机载座舱显示发展趋势分析[J]. 飞机设计,2010(02):36-38.

作者简介：袁潜（1981-），男，高级工程师，研究方向：信息与通信，系统工程，光纤传输与控制。