航天器仪表与照明分系统设计和发展

2011-06-08郭卫国

航天器环境工程 2011年6期

关键词：航天器仪表航天员

郭卫国

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

仪表照明系统是将载人航天活动中最核心的要素——飞行器和航天员紧紧联系在一起共同完成使命的纽带，是为保障飞行过程可靠、安全和支持航天员高效完成在轨飞行任务而设置的系统。

随着航天技术以及航天员参与任务程度的发展，我国载人航天器仪表照明系统也相应经历了以下3个发展阶段：

第一阶段适应于验证基本有人参与航天技术的任务目标，为航天员完成对航天器飞行状态的观察和简单的操作提供支持，已于载人一期工程中实现。

第二阶段适应于天地往返运输以及掌握交会对接技术等目标，为航天员操纵、控制航天器的飞行以及处理飞行器故障提供支持，达到完整服务于人控飞行的目标，已在载人二期工程中实现并处于应用阶段。

第三阶段为航天员在轨完成各类空间科学研究、实验任务，乃至空间生产、加工和开发提供支持，达到服务于空间应用的目标，目前正随载人三期工程开展调研论证及设计开发工作。

1 一期仪表与照明分系统设计

天飞行试验，经过十多年的技术开发、数据积累和试验验证，逐步形成了具有中国特色的有人航天飞行器系列。经过一期工程多艘飞行器的设计研制和飞行试验，相继实现了有人飞行、多人多天飞行以及出舱活动一系列重大技术突破。

此阶段分系统对应任务需求分析，设计划分了显示、手控和照明子系统，分别实现了为航天员提供飞行器信息功能、手动操作控制功能以及舱内、外活动照明支持。

1.1 显示子系统

显示子系统设计为主-从式结构，数据通过信息处理系统后发送到显示终端。“从”信息处理显示系统接收“主”系统发送的信息，为航天员提供更为丰富的信息显示，并便于航天员在飞行器内被束缚的情况下尽可能全面、便捷地监测到飞行器各类重要信息。

为适应力、热及电磁等空间环境，飞行器计算机处理系统通常主要使用已在军工产品中广泛使用的 80C32等芯片。一期显示子系统经过充分的地面考核和验证，主信息处理系统使用 PC104芯片，核心处理速度达33 MHz，并通过双机热冗余设计实现在轨可靠工作。同时，辅助显示系统使用80C32芯片，与主系统采用主-从式架构设计，

我国自20世纪90年代末开始有人参与的航基本满足了一期飞行器信息处理需求和在轨可靠性要求。

受当时国内技术、工业水平等的限制，显示终端主要使用国外进口的液晶显示屏组件，其对空间适应能力不强、可靠性较低且内部设计不透明，在使用中困难较多。同时由于进口器件的限制，极大地制约了显示终端的能力提升和后续发展。此阶段后期，分系统经过调研和分析，与相关技术方开展了技术合作和攻关，最终成功搭载验证了国产空间液晶显示终端。

1.2 手控子系统

一期手控子系统各操作控制内容主要通过在各操作面板上设立各类按键、拨钮和开关等来实现操控指令输出的功能。操控指令安全性要求较高，因此各操作界面、指令链路等对应进行了冗余备份、防误操作设计，在操作界面设置清晰明了的提示，并对应航天员操作设计了声音、灯光等反馈提示。

1.3 照明子系统

经过调研、分析当时可用的各类照明技术和设施，包括航空照明、军用照明等，结合航天器能源供给能力，最终设计使用了荧光照明系统，解决了该类照明的高压启动、电磁干扰、防眩光及空间环境适应等难点，并通过大量的地面测试、试验验证，实现了飞行器内照明。

图1 仪表与照明分系统工作方式Fig.1 Working block diagram of the instrument and lightening subsystem

此阶段后期，根据出舱活动需求，经过调研论证及当时技术情况，在国内、外首次设计采用LED照明作为飞行器外空间环境下的航天员出舱活动照明，能满足短时间、高可靠等出舱活动要求。

2 二期仪表与照明分系统设计

随着载人二期工程航天任务的开展，在有人参与飞行试验的基础上，主要目标为验证实现在轨交会对接功能，须实现多飞行器组合后的信息显示及报警提示，且信息处理量较一期工程大为增加，指令操作需求也相应增多。仪表与照明分系统对应飞行任务需求的变化，在一期分系统设计经验总结的基础上，进行第二阶段的设计开发和研制验证工作。

2.1 分系统任务及组成

二期仪表与照明系统的主要任务是为飞行器和航天员提供信息显示提示、手控指令操作手段以及工作生活照明环境。

对应任务需求，继承一期仪表照明分系统设计[1]及参考航空仪表设计[2]，二期分系统设计组成仍主要分为显示子系统、手控子系统和照明子系统，对应承担显示和语音通报报警任务、编码手控指令发送任务、舱内工作区照明和航天员个人休息区照明任务。另外还为航天员提供音频播放、视频播放、阅读、游戏等功能，满足航天员的生活娱乐需求。

仪表与照明分系统组成及工作方式如图 1所示。

2.2 显示子系统

信息显示处理系统对应长期在轨工作及可靠冗余需求，在二期采用主-备结构，设计实现了 3层备份显示系统。

第一层为主显示系统，包括主信息处理系统、独立的液晶显示终端及航天员操作界面。航天员通过液晶显示终端监测信息显示界面，并可通过操作界面终端进行选择操作。

第二层为备份显示系统，集成小型计算机系统和液晶显示屏，负责信息接收和处理，向航天员提供信息显示界面，并可通过设备表面按键进行选择操作。在主显示系统故障时，备份显示系统可实现外部数据通信、数据接收处理、显示组织管理、发声等任务，确保了航天员在故障情况下仍可及时准确地获知飞行器信息。

第三层为独立显示系统，由独立的机械式舱压显示设备实现，通过机械式表盘、指针为航天员提供独立舱压显示，保证了在飞行器能源、信息系统等重要功能故障的情况下，仍可使航天员及时获知涉及生命安全的舱压信息。

2.3 手控子系统

对应手控指令操作需求的增加，二期手控子系统主要以编码形式将指令传送至飞行器上总线，经总线送至对应的执行终端，相较一期节省了大量面板资源，并提升了指令发送能力。该系统利用面板上的按键和液晶显示屏与航天员进行交互及操作反馈。对应手控操作内容信息量大且安全要求较高的需求，手控子系统主要加强了指令发送的可操作性和安全性设计：

1）手控指令发送可操作性设计编制了多种指令发送方式，便于航天员查找、确认和发送；

2）手控指令发送安全性设计是为防止航天员操作误发指令及意外触碰导致误发指令，在手控指令发送过程中，设计了检查确认功能，经核实无误才可发送指令；

3）手控指令发送确认锁定保护设计是在发送手控指令进行检查确认时，将锁定手控操作控制系统设备此时的后续按键操作为无效，待确认检查无误后才能进行下一步按键操作，以避免快速连续按键导致跳过确认步骤而误发指令。

4）设备密码锁定保护设计是将手控操作控制系统设计为启动后默认进入锁定状态，必须正确输入解锁密码后，才可进行手控指令发送操作，并在无操作输入情况持续一定时间后，自动进入锁定状态，以避免在轨误触碰导致误发指令。

2.4 照明子系统

在一期飞行器外空间照明技术验证的基础上，二期分系统飞行器内照明也采用LED照明技术，增加电源变换、环境照明、开关控制和亮度调节等功能，并经过设计和验证，满足（空间飞行）长寿命、高可靠的需求。

根据飞行器内各任务、休息区域的照度需求，综合考虑灯体的器件数量、分布情况、恒流源设计的要求及发光二极管的失效模式，将发光二极管进行串联、并联以及冗余备份设计。单灯使用多颗LED发光二极管器件作为发光光源，将多颗光源独立分组，每组光源采用串联加并联的连接方式（图2），且两组可互为备份，并分别由对应的两组相互独立的恒流电源进行恒流供电和亮度控制。

图2 LED串并联设计示意图Fig.2 The LED series-parallel connection design

针对LED发光亮度高的特点，各照明灯前表面设计使用了漫反射型光学窗口，该光学窗口外表面光洁，内表面进行喷砂处理，在实现防眩光功能的同时，还能提高照明灯中心光强。

2.5 人机工效设计及安全性设计

仪表与照明分系统的显示、操作和照明设备直接面向航天员，进行人机工效设计对方便航天员的使用，提高其工作效率，减少操作失误有很大作用[3]。借鉴工业设计中大量成熟的人机工效产品设计经验[4]，二期仪表与照明分系统加强了人机工效及安全性设计，主要包括以下几点：

1）各仪表设备操作接口设计，包括各设备按键操作、开关操作接口等，操作方式简便，提示信息明确；

2）各显示设备显示界面设计，包括字体、布局、配色等设计内容，保证航天员准确、便利地获得所需信息；

3）仪表各设备协同工作工效设计，包括光、声以及各显示屏配合显示设计内容，以多种方式实现对航天员的信息提示；

4）人机界面以及所有航天员可触及的结构外表面没有危及航天员安全的隐患；

5）手控指令的发送设计了防误操作措施，并设计了清晰明确的提示，保证航天员安全、可靠地完成手控操作；

6）照明环境设计按照航天员工作、睡眠等功能区域分别安排了工作区照明和休息区照明，以满足各功能区域对照明的不同需求，并经过试验确定使用数量和安装位置。

另外，针对分系统设计进行可靠性模型分析、故障模式分析，确保系统的安全可靠和航天员使用安全[5-6]。

3 二期主要技术应用分析

二期仪表与照明分系统通过技术开发和新产品应用，较大地提升了仪表与照明分系统性能，并为后续航天器任务进行了技术应用和验证。主要包括计算机系统能力的提升、大屏幕国产空间用液晶显示技术的应用以及LED照明技术能力的进一步提升。

3.1 高性能计算机系统技术

二期系统中飞行信息显示、处理需求量大为增加，显示人机工效需求提升，一期的信息处理系统已不能满足更加人性化及大信息量的处理需求。仪表与照明分系统经过技术调研和大量的地面验证，设计使用了以 PC8245型 CPU为核心、配备 M9显示处理系统的高性能双机热备份信息处理系统，并根据硬件定制配备系统软件，系统核心处理速度大于200 MHz，极大地提升了信息显示处理能力以及图形化信息的处理能力。该系统通过总线接口接收显示、事件等数据信息，经过CPU模块的解算处理后，通过设备内部 CPCI总线送至显示驱动模块，进行2D加速处理后，通过驱动液晶显示终端进行信息显示提示。对应空间环境需求和航天产品元器件要求[7]，为保证器件、设备的在轨可靠工作和适应性，专门制定了相应的器件质量保证方案，设计了筛选方案、验证试验，并通过系统冗余设计，提高了产品的可靠性和使用寿命。

3.2 大屏幕液晶显示技术

二期仪表与照明分系统继续使用国产液晶显示技术，对应技术发展和任务需求进行了开发研制和能力提升，首次使用了15英寸大屏幕国产空间用液晶显示屏。

传统液晶显示器主要采用CCFL作为背光源，在低气压和真空环境下，其寿命、抗震动冲击等性能都难以达到本系统环境应用的要求。同时CCFL灯管含有汞等有毒物质，灯管破裂会导致汞蒸气的挥发，危及航天员的身体健康和安全。CCFL发光成分中还包含有紫外部分，会对光学膜、液晶面板产生老化效应，影响液晶显示器的使用寿命，且CCFL灯管寿命相对较短，难以满足空间用液晶显示器长寿命的要求。国产液晶显示器通过设计研制，采用LED作为背光源，使用LED侧光式背光技术，实现了背光系统的小型化，且驱动电压要求单一、可靠性高、电磁兼容性好，比采用CCFL作为背光源更加适合应用于二期航天任务，并可满足在低气压条件下工作的需求。另外，通过棱镜膜设计收集分散的反射光和折射光，集中到液晶屏中心轴线附近，提高液晶屏的中心亮度，并通过开发使用的层叠玻璃加固技术、结构散热设计、液晶屏防飞溅技术等，满足了在轨力、热等空间环境需求和在轨安全性需求。

3.3 LED照明技术

一期使用的荧光光源能耗高、可靠性低、启动电压高且寿命短。在二期工程中，由于在轨工作时间的增长以及能源系统的限制，仪表与照明分系统在一期飞行器外空间LED照明技术基础上，经过调研分析及地面验证，最终使用了具有寿命长、体积小、效率高、抗震性能佳、响应速率快、驱动电压低等优点的LED照明光源[8]。

由于目前LED产品不是专为航天任务研制，其性能还不能完全满足航天任务的需求。为此，对空间LED照明设备采用的高亮度白光LED光源进行了技术改进，并针对航天任务用器件标准制定了严格的筛选技术条件，保证了器件的可靠性。在照明设备设计中，使用多颗LED器件，经结构设计、串并联设计、光学系统设计、降额设计、防眩光设计，达到了长寿命、高可靠性的空间照明需求，满足了人机工效设计要求。

另外，针对LED的特点，设计研制了恒流源供电系统，使用瞬态干扰和过应力保护设计，输入/输出均设有滤波电路，使外部对电源模块的干扰得到抑制。

4 发展前景展望

我国后续载人三期工程航天器由多舱段组合构成，并长期在轨运行，期间与多个飞行器对接，且有不同的航天员在轨工作、生活，由于航天员在轨工作、生活时间更长，信息监测、处理需求更多，不同时期的任务变化需要信息交互功能对应调整更新。仪表与照明分系统须对应任务环境和需求的变化，并结合国外相关技术应用情况及故障经验[9-10]，在系统层面上优化设计、提升能力，实现第三阶段的分系统任务。

4.1 标准化接口综合显示系统

三期仪表综合显示系统层面须设计实现系统架构、组成和功能分配，以及系统接口的标准化，为综合显示系统的多媒体人机交互、高性能显示终端、软件功能在轨维护等技术实现建立系统基础和架构，并在系统设计层面上解决新技术应用、系统重组、在轨排故/维护等难点。

为适应后续的长期在轨工作任务，仪表综合显示系统功能组成单元须实现平台化和小型化，以支持系统的在轨重组、维护维修，重点为计算机平台和底层支持软件平台。由于多舱段对接，该系统硬件、软件平台应实现接口统一、功能可扩展的技术，且应具备便于航天员在轨操作和在轨维护的能力。

对应后续的多任务需求情况，仪表综合显示系统须具备软功能在轨维护、更新的能力，以实现综合显示系统的功能调整、任务配置更新；并具备地面注入更新、航天员在轨操作更新的能力。该技术须实现天地传输中可能出现的数据帧损坏时的自动识别和保护，天上设备在更新错误情况下的自保护措施和自恢复技术。同时对于航天员在轨操作更新，须设计便于航天员在轨操作的方法，并具有操作过程中出现问题时的保护恢复能力。

4.2 高性能高可靠计算机系统平台

在三期任务中可采用技术更新、性能更好的硬件平台，进一步提高航天员工作的舒适性，减少人为错误的发生。随着地面高性能处理器的发展更新，在二期高性能PC8245型处理器应用试验的基础上，对应后续信息处理需求，须进一步开发验证高性能计算机系统平台。平台化高性能计算机系统支持海量信息处理、存储，多媒体技术，多任务运行和调度、任务间同步与通信以及系统重组。

同时，在二期航天员娱乐用个人计算机考核验证的基础上，在后续设计中配备辅助信息处理系统，采用高性能笔记本计算机，辅助进行三维视图、视频、维修维护支持、故障报警提示等任务，为航天员提供更加便捷、智能、准确和舒适的信息服务。

4.3 高性能显示系统终端技术

为满足后续航天器任务大信息量显示需求以及高速信息系统网络的海量数据处理需求，须在前期基础上，进一步实现高性能的显示终端技术，研制大屏幕触摸式液晶显示屏，并具备支持高速、高清图像显示的能力。触摸式显示屏还未在国内航天产品上应用，须突破该类型液晶显示器在航天工作环境下的可靠性、安全性设计难点，以及对应后续航天器任务的长寿命设计难点。须同时实现航天员在轨操作时人员和设备的保护技术。

4.4 智能化多媒体人机交互技术

对应后续航天器大容量的信息内容，须给予航天员更加智能和人性化的显示提示界面。因此人机交互技术须在显示提示的基础上，实现配合显示的视频、音频、灯光等综合交互界面，以多种方式实现与航天员的动态交互。并在后续航天器所能提供的资源配置情况下，提升现有的综合信息交互技术。另外通过虚拟仪表显示、三维模型显示等技术开发和使用，在高性能计算机系统平台及辅助平台上，进一步提供智能、高效的人机交互技术。

4.5 进一步发展空间LED照明技术

在前期LED照明技术基础上，继续提升空间照明技术能力，针对各种不同任务需求设计开发照明系统，以满足后续任务外部活动空间的扩大、构型的复杂性、航天员在轨及外部空间任务的复杂性和多样性等需求[11]。

5 结束语

仪表与照明分系统是航天器中最具有航天员参与特点的分系统之一，其显示、手控和照明子系统所使用的许多器件和技术新颖、独特且趋于相关技术领域的前沿，没有在我国航天器中应用和考核的历史，欠缺相应的可靠性和环境适应性数据积累。经过一期和二期工程任务的逐步摸索和建设，我国航天器仪表与照明技术日趋成熟，部分技术在国内、外已处于领先地位。

三期工程是一个新的机遇和挑战，仪表与照明分系统也对应新的任务需求，不断开发采用新技术、新产品，提升系统平台性能，在高效、智能、可靠、安全、人性化设计上更进一步，更好地为航天员搭建一座与飞行器信息沟通的桥梁。

（References）

[1]SZ-Q/W(12)17A—2010 载人运输飞船仪表与照明分系统规范[S]

[2]黄俊钦.航空航天仪表的设计思想和基本结构[J].仪器仪表学报, 2005, 26(3)

Huang Junqin.Design idea and basic structure of aircraft and spacecraft instruments[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26(3)

[3]QJ 2236A—98 航天产品安全性保证要求[S]

[4]何灿群.人机工程学产品设计[M].北京：化学工业出版社, 2005

[5]GJB 1391—92 故障模式、影响及危害性分析程序[S]

[6]QJ 2236A—98 航天产品安全性保证要求[S]

[7]QJ 3057—98 航天用电气、电子和机电（EEE）元器件保证要求[S]

[8]王晓明, 郭伟玲, 高国, 等.LED—新一代照明光源[J].现代显示, 2005(7)： 15-19

Wang Xiaoming, Guo Weiling, Gao Guo, et al.Gate of dawn-LED will illuminate the future[J].Advanced Display, 2005(7)： 15-19