曾庆云，孟 军，朱俊云，樊 伟

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

随着飞行环境复杂性的日益增加、飞机性能的逐步提升、航空电子综合化程度的提高，座舱显示的信息量变大，在座舱显示与控制的设计方面，不仅要求信息显示直观、易读、实时性好；而且要求控制操作简单、精度高。同时，座舱显示与控制的设计好坏,直接关系到飞行员能否做出正确的判断、决策以及合理的控制,从而保障飞行员的安全、确保任务的顺利完成。为此，本文主要从座舱显示与控制两方面介绍了座舱人机交互界面设计。

1 需求分析

飞机从起飞到着陆的整个过程中，一般要执行导航、搜索、跟踪、瞄准以及攻击等任务，在这些任务的执行过程中，座舱显示与控制的设计为飞行安全提供保障、为任务完成提供支持，同时减轻飞行员负荷。

1）为飞行安全提供保障

在整个飞行过程中，教练机座舱显示与控制为飞行员实时提供准确、直观、易读的航向、高度、速度、俯仰、横滚、过载、攻角等飞行信息以及飞机系统状态、告警信息，为飞行安全提供保障。

2）为任务完成提供支持

未来作战模式将向远距打击和信息对抗为主转化，教练机座舱显示与控制以提供周边态势情况为主，配合以攻击、防御、通讯、导航、识别、外挂等信息显示，为任务完成提供支持。

3）减轻飞行员负荷

随着飞行环境日益复杂，飞机性能的提升，以及飞机功能的增加，飞行员的负担也逐步加重，越来越多的功能选择和操作模式将导致经验不丰富的飞行员在面临紧急任务时无所适从。飞行员需要哪些信息？这些信息如何显示有利于飞行员的理解？如何减轻飞行员负荷？这都是座舱显示与控制设计必须关注并迫切解决的问题。

2 显示与控制设计

2.1 显示与控制架构设计

如图1为教练机显示与控制架构，该架构主要由显示和控制两部分组成，显示部分主要包括衍射平显、大屏显示器、头盔瞄准具，控制部分包括双杆、上前方控制面板、航空电子启动板等。此外还有两台互为备份的显示控制处理机。该显示与控制系统可显示整个飞机的飞行参数、系统状态、任务数据、态势信息、视频信息等，提供综合显示、集中控制人机交互方式。

图1 教练机显示与控制架构

2.2 显示与控制设备

目前三代机座舱主要显示设备为平显、头盔、下显，控制设备主要是上前方控制面板、多功能显示器周边键等。

2.2.1 显示设备

1）平显与头盔显示器

平显是将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息以图形、字符的形式，通过光学部件投射到座舱正前方组合玻璃上的光/电装置。由于光学系统将所显示的信息成像于无穷远处，因此可以使飞行员几乎不用改变眼睛焦距，即可方便观察飞行参数等相关信息。此外，红外、电视摄像机拍摄的视频图像可以以光栅模式投影到平显上。为了增大平显视场、提高显示亮度和外景透光率，美国休斯顿飞机公司首先研制出衍射平显（主要变化是使用全息透镜替代组合玻璃）。

头盔显示器可以理解为“安装在头盔上的平显”，虽然本身视场有限，但由于安装在头盔上，其视野随着头部的转动而转动，视野大。头盔显示器既具有显示数据信息、图像信息的功能，又具有测量头盔瞄准线位置的功能。此外，采用图像增强器或夜视摄像机等装置探测到的图像可在头盔显示器上叠加显示，头盔显示器便可实现夜视功能。

头盔瞄准具是显示瞄准标记或十字线的一种简单的光学装置。用于测量指向目标的瞄准线(LOS)方位，从而确定目标的位置。

平显与头盔显示器相比较如下：

（1）平显精度高，适用于非制导武器投放

平显技术已经非常成熟，影响精度的因素已经控制得非常精确，目前平显输出的精度在视场中心优于0.1~lmrad，边缘精度为1.5~2mrad。头盔显示器的精度分为光学精度和跟踪精度，头盔显示器的光学精度与平显类似，头盔显示器的跟踪精度，随离轴角的增加，在头部活动框的边缘迅速降低（主要是由于头盔显示器在整个头部运动框内对风挡玻璃误差补偿困难），在大离轴角精度降至8~10mrad，精度较平显低。

平显精度高，安装时与机轴进行过校靶，而且制导武器的瞄准与弹道计算都是以机轴为基准的，因此平显适用于投放非制导武器。

（2）头盔显示器捕获目标快，适用于导弹离轴角发射

虽然头盔显示器的瞄准精度大大低于平显，但是投放制导武器不需要很高的瞄准精度。

飞行员通过头盔显示器进行目视搜索和跟踪目标时，导弹及相关的传感器可以快速地随动到目标的位置，截获目标后可立即离轴发射导弹，而且头盔显示器视场大、能灵活转动，满足大离轴角搜索、跟踪、瞄准和发射，从而改善人机接口关系，减轻飞行员的工作负担，提高作战效率。

（3）平显占用座舱安装空间

平显一般安装在仪表板的中上部，占用了仪表板上最好的空间，这一高价值的空间最好用于更有效能的战术态势情况显示。而头盔显示器则戴在飞行员头上，不占用仪表板的空间。

（4）头盔显示器视野大

头盔显示器双目视场为 40°（方位）×30°（俯仰），瞄准线的测量范围为±135°（方位） 和±85°（俯仰），而平显的总视场为 26°（方位）×23°（俯仰）。

2）下显

下显的显示器件分类方法多种多样，按显示器的结构形式可分为阴极射线管（CRT）显示器和平板显示器。平板显示器包括液晶显示器(LCD)、发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、电子发光显示器（ELD）等，平板显示器具有完全平面化、分辨率高、轻、薄、省电等特点，符合未来图像显示器发展的必然趋势。

目前,平板显示器主要是液晶显示器(LCD)和有机发光二极管（OLED），其中OLED被视为21世纪最有前途的产品之一，OLED具有如下优点：

（1）厚度薄，重量轻；

（2）为固态结构，没有液态物质，因此抗震性能更好，不怕摔；

（3）几乎没有角度的限值问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真；

（4）响应时间是LCD的1/1000,显示运动画面无拖影的现象；

（5）低温特性好，在-45°C时仍能正常显示，而LCD则无法做到；

（6）制造工艺简单，成本低廉；

（7）发光效率更高，能耗比LCD要低；

（8）能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔然显示器。

由于液晶分子各向异性，对于不同的入射光，反射率不相同，因此视角较小，只有30~40°，对比度受视角影响较大，随着视角的增大，对比度下降。液晶的响应受环境影响，低温时响应速度较慢，温度过低则液晶会结晶；高温会破坏液晶的定向层，温度过高时，液晶态会消失。2.2.2控制设备

目前高级教练机的座舱控制设备主要包括航空电子启动板、上前方控制面板、多功能显示器周边键、双杆以及座舱内的一些开关、按钮。

1）航空电子系统启动板

为简化飞行员操作程序，所有航空电子分系统的启动都通过一块智能化的航空电子启动板来完成。航空电子系统启动板控制各航空电子分系统及设备的上电和下电，提供系统及设备通断状态信号指示，控制飞机视频记录器记录方式等。

2）上前方控制面板

上前方控制板位于飞行员正前方，是一块可平视操纵的显示板，用于装订或改变航空电子系统的工作参数与选择工作方式等，显示系统工作方式、飞控系统状态等。上前方控制板还可以控制平显的高压电源和亮度调节，控制备份环开关和亮度调节。

3）多功能显示器周边键

多功能显示器周边键是可以通过计算机软件设定其控制功能，周边键的控制功能可随着显示画面的改变而改变。多功能显示器周边键用于画面切换、数据加载、修改、系统或设备的自检等。

4）双方双杆

双杆上集中了一些重要的控制器 （例如作战中必须操作的开关、按钮等）。在时间紧迫的作战阶段，飞行员两眼平视、两手握杆即可完成战斗任务。

2.3 显示信息与控制任务分类

2.3.1 显示信息分类

为了给飞行员准确提供本机状态和周边态势情况的信息，需要在座舱内显示的信息极为丰富。按其功能划分，现代高级教练机座舱显示信息设计通常包括以下9类。

1）态势信息

态势信息显示，即战术信息平面视图显示，包括地面阵地、飞机探测设备搜索范围、本机防御能力信息提示、本机位置、航线、活动地图、威胁、目标、敌友机等。

2）攻击信息

攻击信息主要包括显示打算攻击的威胁目标信息，以及武器的使用信息、射击清单、目标航迹、导弹发射包线、武器控制提示符号和导弹飞行路线符号等。

3）通信、导航、识别信息

通信、导航、识别信息主要包括显示通信设置，修改参数信息、无线电导航飞行引导信息、敌我识别信息。

4）外挂信息

外挂信息主要包括武器投放程序信息、武器外挂配置信息、以及投放物状态信息。

5）飞行状态信息

飞行状态信息主要包括飞机飞行姿态、航向、高度、空速等信息。

6）视频图像

视频图像信息主要由摄像头、红外、电视成像系统以及地面目标成像的雷达SAR（合成孔径雷达）产生。

7）非航电信息

非航电信息主要包括飞控、发动机、燃油、电源、起落架、液压刹车、机电管理等信息。

8）告警和提示信息

告警和提示信息主要包括飞机状态、攻击、防御告警提示信息等。

9）维护信息

维护信息主要包括各系统或设备故障代码、首发时间、持续时间、发生次数、安装误差、软件版本号等。

2.3.2 控制任务分类

座舱控制设计中，通常要基于座舱控制任务需求进行。高级教练机座舱控制任务主要包括如下6类：

1）综合任务控制

（1）系统工作模式的控制

（2）任务数据加载和修改

（3）目标优先级的人工设定

（4）武器系统的人工配置

（5）训练模式的启动

（6）通信、导航、识别参数的设定

2）飞行控制管理系统模式控制

（1）自动驾驶接通、断开

（2） 姿态/航向保持子模态（ATT）

（3）高度保持子模态(ALT)

（4） 人工超控子模态（CSS）

（5）自动改平子模态（AL）

3）机电管理参数的显示控制

（1）燃油状态参数显示控制

（2）液压刹车状态参数显示控制

（3）电源状态参数显示控制

（4）起落架状态参数显示控制

4）发动机状态参数显示控制

5）维护功能模式控制

（1）维护自检控制

（2）维护故障查询

（3）安装误差设定

6）显示画面的控制

（1）全屏显示、分屏显示及开窗控制

（2）缺省显示画面的控制

（3）画面显示优先级的控制

2.4 符号画面设计

高级教练机通常为多任务设计，每个任务均有特定的画面和逻辑需求。在显示装置上出现相应的不同符号和飞行指令，如图2所示，显示画面由多个不同的符号构成，有静止的、运动的符号。

在显示符号及画面的设计中，需注意以下几点：

1）显示符号和画面设计可以根据显示器的大小、座舱布局来对显示画面进行设计；

2）设计画面符号时，应考虑到符号的通用性、继承性以及画面中的显示比例；

3）设计显示符号时，应采用形象直观且与人的认知特点相匹配的显示格式；

4）从优化设计的角度，要考虑显示字符的清晰度和逻辑性，以及各画面字符位置的合理安排和可读性。

5）设计画面逻辑时，应考虑画面大小与飞行作战模式之间的关系，以及飞行员的习惯等。

图2 座舱平显显示画面

此外还应遵循如下显示设计特点：

1）缺省显示的逻辑

显示界面是有限的，无法满足任务模式里所有的信息都同时显示的需求。需将每个任务模式中最典型的信息提取出来，作为缺省的显示信息与任务模式关联。飞行员在不同的主模式之间切换时，不再需要手动选择即可以得到缺省的显示。

2）显示的分层结构

对于显示画面的设计，按照从重要到次要画面的分层结构来显示。

3）快捷的显示切换

在设计快捷的显示切换时，在画面的逻辑设计中考虑使用快捷键的方式。不论系统当时处于何种主模式画面，都可以通过快捷键迅速返回主菜单。

4）显示的防拥

在飞行中，飞行员有时可能只关注某一方面的信息。考虑到这种需求，可以利用设置不同级别的防拥显示来解决这种问题。通过选择不同的防拥方式，可以得到不同的显示信息组合方式。

5）显示信息的优先级

在平显显示画面中，平显上会显示各种作战符号和告警信息，应根据这些信息的优先级排列，决定信息重叠覆盖显示的级别。

2.5 控制逻辑设计

控制逻辑设计与系统顶层设计文件密切相关（如：全飞行剖面的任务使命、系统构型、配套武器、系统的信息流等），涉及系统广泛的技术范畴。需根据不同任务及飞行员所要侧重了解的信息及操作，将航空电子系统显示控制涉及的大量操作有逻辑的设计在一起。主要设计步骤如下：

第一步：设计飞行员操作流程图

飞行员操作流程图是对其整个飞行剖面而言的，包括：飞行前的任务准备、起飞导航、警戒待机、对空和对地攻击以及返航等多个任务阶段。通过对飞行员操作流程图设计，将飞机座舱内的信息控制和显示部件与飞行员的操作动作联系起来。在飞行员操作流程图中应说明每个任务阶段执行的一系列操作及其所需的时间。

第二步：分解和转换飞行员操作流程图

该步骤是将飞行员操作流程图分解和转换成飞行员执行某项工作（如导航方式选择、空空导弹发射）的所有操作的有序集合，并确定每个操作所需的时间。包括飞行员对双杆上的开关操作的时间，对各种显示器的字符观察和判断时间，对各种显示器上开关、按钮操作的时间等。

以近距发射空空红外导弹为例（从雷达发现目标到导弹发射），将该项工作分解为若干个操作，给出初步分解的飞行员操作流程图（没有给出操作时间和观察判断时间），见图3，通过对飞行员操作流程图的分解，可明确在任务执行过程中飞行员应该完成的操作和需要得到的显示，以及这些行为与显示之间的相互联系。

3 关键技术

1）数据融合技术

作战时，飞行员的主要任务是作出好的战术决策并执行这些决策，然而作出战术决策的正确程度直接与飞行员对态势的了解(SA)成正比。随着探测传感器作用距离增加、电子战系统精度极大提高以及数据链路将装备至教练机。在作战训练时，要增强飞行员对态势的全局了解，需将雷达、电子战、数据链、导航与地图以同一比例、同一坐标在大的显示器上进行融合，提高飞行员作战效能。

图3 近距空空导弹发射飞行员操作流程图初步分解

2）显示符号实时性修正技术

在导航与着陆阶段，飞行员需要根据速度矢量符的位置反推攻角，以保证飞机以安全的姿态完成相关功能操作，如采用真攻角和真侧滑角驱动的速度矢量符号，速度矢量符号会抖动；改用惯性攻角和惯性侧滑角驱动后，存在滞后现象。

经对试飞数据的分析后，决定采用惯性攻角和惯性侧滑角驱动平显上的速度矢量符号，但需对速度矢量符采用实时性修正技术，即根据飞机前一周期与当前周期的俯仰角、横滚角、俯仰角速率、真攻角、惯性攻角、惯性侧滑角等数据进行修正，并通过采集试飞数据在地面仿真验证其可行性。图4为修正后惯性攻角与修正前惯性攻角的对比图，修正后的惯性攻角变化趋势与修正前惯性攻角的变化趋势一致，修正后的信息提前100～200ms，满足速度矢量符实时性显示的需求。

图4 惯性攻角与预测的惯性攻角局部放大对比图

3）语音控制技术

虽然语音控制技术经过了几十年的发展，语音识别能力和灵活性以及对语音控制的应用有所提高，但当前语音识别系统和语音控制系统还不能达到预期的性能水平，主要表现在：首先，语音识别技术的识别率有限，不能实现百分百的准确率识别语音命令；其次，语音识别技术受环境噪声、高过载下飞行员的发音变化等原因的影响，在这些环境下，识别率会有所下降。

基于识别率考虑，对语音控制技术在座舱中的应用应做一些限制：语音控制设备在飞机上只充当辅助控制设备，必要时可用其他控制设备取代；语音识别系统的控制键设置在双杆上，确保飞行员双手不离杆，可随时对语音控制进行操控和切换；语音控制不能承担关键任务，语音识别错误不应造成严重后果；语音识别应有及时的反馈信息，确保飞行员了解语音是否被输入、是否被正确识别。

4 结语

座舱显示与控制是飞行员和飞机之间相互作用的接口，是人机交互界面关键所在。如何准确地获取飞机的状态信息、战场态势,如何有效地控制飞机完成飞行、作战训练等任务，一直是备受关注的热门话题，随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展,座舱显示与控制将朝着数字化、综合化、人性化方向发展，使飞行员能够更便捷地操纵飞机,达到人与飞机的和谐统一。