战斗机座舱显示的发展需求

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1、战斗机座舱显示的发展需求张德斌，郭定，马利东，倪祥征摘要：阐述人机工效对战斗机座舱显示的要求，分析现代战斗机座舱显示 所面临的挑战，提出座舱显示发展的技术途径。序言战斗机座舱的显示是非常重要的人机界面。迄今为止，座舱显示系统的发 展已历经六代。第一代为第二次世界大战前的简单机械和电气仪表，第二代是 二战后产生的机电伺服仪表，第三代是 20 世纪 50 年代研制出的综合指引仪表。 上述三代仪表都是利用指针刻度盘进行空间分割(简称空分制)显示的专用仪表， 造成座舱仪表数量增多，仪表板拥挤，飞行员负荷过重，差错增加。20 世纪 60 年代初出现的电子仪表为第四代，基于阴极射线管的平视显示器(HUD)

2、和垂直情 况显示器在作战飞机上得到应用，为实现多功能显示开辟了道路。20 世纪 70 年代后期，通过计算机控制和多路数据总线传输，将 HUD 与几个多功能显示器 (MFD)综合成一个整体，达到资源共享、互为余度，使座舱仪表数量显著减少， 从而进入第五代的综合显示系统。20 世纪 80 年代中期以来，平板显示器及头 盔显示器(HMD)的研制取得很大进展，并在美国 F-22、欧洲“阵风”等先进战 斗机上得到应用，标志着座舱显示进入第六代头盔显示、平板显示时代， 为现代作战飞机的座舱显示提供了坚实的物质基础。为适应现代作战需要，完善座舱显示，本文从人机工效要求出发，对现代 飞机座舱显示面临的问题进行

3、分析，并提出相应的解决途径。1 座舱显示的人机工效要求人机工效是研究人与机器相互关系的合理方案，即对人的知觉显示、操纵 控制、人机系统的设计及其布置和作业系统的组合等进行有效的研究，其目的 在于获得最高的效率和作业者的安全、舒适。从人机工效要求来看座舱显示 应满足以下基本要求：显示界面友好、直观，显示器和仪表布置协调有序，显 示字符的大小和对比度适中，信息量和信噪比适度，色彩和谐统一，视野开阔， 照明光线柔和等。随着现代飞机作战性能的改进和作战任务的复杂化，对座舱 显示不断提出了更高的人机工效要求。1)显示飞行员最关心的信息在现代化飞机座舱内，飞行员需要哪些信息，这些信息如何显示最有利于 飞行

4、员理解，一直是国际航空工效学界致力于解决的实际问题。实际上，飞行 员的迫切要求是能以简单易懂的方式自动实时地显示所需要的信息，即根据不 同的飞行阶段、飞行任务，为飞行员提供他们最需要的信息。例如，在巡航阶段，显示飞行员最关心的位置信息和状态参数等信息；在攻击作战阶段，显示 飞行员最关心的目标和武器的相关信息；在飞机出现故障时，显示飞行员最关 心的告警信息。2)提供友好的显示界面友好的显示界面可以使飞行员快速而准确地获取信息。如 HUD 图像的标准 化、导航画面地图化、数字信息的模拟化、文字信息的汉化等。从优化设计的 角度，还要考虑显示画面的清晰度和逻辑性、各个画面字符位置的合理安排、 可读性等

5、。另外，画面的切换和调整要方便快捷，把信息按类别和传统习惯显 示在仪表板特定区域的显示器上，有利于飞行员获取信息。3)采用形象直观并与人的认知特点相匹配的显示格式显示格式越复杂，飞行员认读时间越长，也越容易发生差错。为了迅速、 准确地获取信息。应该用简单明了的方式显示所需信息，使传递信息的格式能 直接表达信息的内容，以减少译码的错误；明确信息显示的目的，如供状态识 读的仪表，就应简单清晰；增强显示格式与所表示意义之间的逻辑关系：使用 利于识读的格式。图 1 两种显示方案，均表示某型飞机 HMD 在截获、允许发射、不允许发射 三种状态连续转换时的显示符号，其中虚线表示闪烁。从截获状态到允许发射状

6、态时，方案一把截获状态的光环闪动变为不闪动 的同时加固定十字，方案二在截获状态显示符号基础上只增加固定十字。从允 许发射状态到不允许发射状态时，方案一使允许发射状态固定光环和十字都闪 动，方案二使允许发射条件下固定十字消失。经过比较可以发现，方案二表达 意义更加明确，更符合人的认知特点。4)对相关信息尽可能实现综合显示飞行员作战时需要大量的相关信息，如 果对其进行分屏或在不同显示器上进行显示，将降低飞行员判读综合信息的速 度，不能满足座舱显示高效性要求。所以对相关信息应尽可能同屏综合显示， 增强信息可读性，提高显示效率，有利于飞行员更有效地了解作战态势。2 现代飞机座舱显示存在的问题1)“信息

7、爆炸”影响飞行员的视觉感知能力随着飞机性能的不断提高，显示信息成倍增加。在 F-18 座舱内，一个 HUD，三个 MFD 上共计有 62 幅显示画面，675 个缩写符号，其中 177 个符号有 四种不同大小，总信息量达 1000 多个。在战斗飞行中，飞行员除了要不断接收和处理各种仪表信息和地面或空中的通报和指挥信息外，还需要对各种危险警 告和异常信号做出迅速的反应，而且经常要对同时收到的几种信息立即做出正 确抉择。西方军事工效专家认为，目前飞行员所接受的灯光和音像信号已经大 大超过了人的视觉和听觉负荷。2)信息显示符号、画面没有完全标准化国内在 20 世纪 80 年代开始重视座舱显示标准化工作

8、。此后，国内有关单 位相继制定了部分国军标，为座舱显示设计提供了必要依据。但是，现行标准 中的显示信息内容还不能完全满足飞行员的信息使用需求。3)显示器屏幕小，不能满足了解作战态势的需求目前战斗机上使用的大部分显示器尺寸较小，且配置分散，因此，至关重 要的信息只能显示在不同的 MFD 上，且刻度比例不同。作战时飞行员在驾驶飞 机的同时，还要观察多个独立显示器上以不同比例显示的态势信息并进行“融 合”。因此，飞行员在传感器管理与数据融合上花费了大量时间。而真正用于 作战决策的时间就很少。4)告警信息不明确告警信息意义模糊会造成飞行员得不到重要的有用信息。1992 年 7 月 20El，一架 V-

9、22“鱼鹰”倾转旋翼飞机在华盛顿哥伦比亚特区附近的河中坠毁， 共有 7 人丧生。经过美国海军组成的调查委员会的周密调查表明：在坠毁过程 中，飞行员一直都得到故障提示信息，但并没有指示故障的真正原因，致使飞 行员不能采取有效的措施阻止事故的发生。其中在 V-22 飞机的 MFD 上有一个很 重要的“双重传感器故障”的显示，但这个显示可以表示 6 个不同系统有可能 发生故障；同时该系统还会“多余”地发生一些错误的指示，使信息的不明确 问题更加严重。3 发展新一代飞机座舱显示的技术途径1)改进显示格式传统的显示格式易引起混乱。解决的方法之一是用易于快速理解的图形信 息取而代之，并利用其颜色作补充说明

10、，如红色表示敌机，蓝色表示友机，黄 色表示情况不明，这样飞行员就很容易区分不同信息。随着战斗机作战性能的 改进和作战要求的提高，座舱显示格式的改进工作集中在提高完成任务的有效 性、减少飞行员的工作负荷方面。如英国皇家航空航天研究机构(RAE)的贝德福 德研究所开发了“快速喷气式”(FJF)显示格式，其特点是 HUD 的显示格式不随 迎角改变，如果水平线在视线内，显示内容就与水平线相关，同时还能接受武 器符号。试验表明这种格式特别适合于在复杂气象、仪表飞行、进行夜间作战 或剧烈机动条件下的平视显示。目前 FJF 已经作为英国皇家空军标准使用，并被 EFA 选中。美国的飞行符号工作组在试验的基础上

11、，也确认了这种格式，并 在未来的标准化 HUD 中接受这方面的内容。2)信息显示标准化信息显示时应注意显示的优先顺序、符号位置和意义明确性，并进一步加 强显示符号、画面标准化研究。工效专家也提出了许多办法，如对众多信息采 用不同呈现方式、不同形状、不同颜色的符号表示，对不同符号进行形状编码、 颜色编码等措施，使飞行员在识别信息时处于最佳的认读速度。3)告警信号分类化由于飞机的系统设备繁多，告警信号数量相当可观。如 B-747 飞机座舱有 455 个告警信号，F-18 战斗机有视觉告警 73 个，指示灯 54 个，听觉告警音调 6 种。这些信息可以根据其对安全的危及程度分为告警、注意、提示三类。

12、对 危及飞行安全，需要立即让飞行员知道，并立即采取措施的划为警告信号，如 发动机着火等。对影响飞行任务完成或者导致系统设备性能降低。需要立即让 飞行员知道，但不必立即采取措施的划为注意信号，如燃油量到低限等。对指 示飞机上与飞行安全有关的系统、设备的工作状态、性能状况或者提示飞行员 进行例行操作的信息划为提示信号，如起飞配平等。不同等级、性质的告警信 息，可以采用不同的颜色，如：警告信号用红色，注意信号用橙色等；还可以 根据告警等级，采用不同的安装位置，如：警告信号位于视区中心，其它位于 视区边缘等，以便使飞行员迅速发现、了解故障部位、性质。采取相应措施。4)大屏幕头盔显示大屏幕显示器可以把雷

13、达、电子战系统、数据传输链、导航信息与地图信 息等融合在一种公用刻度和坐标系上。在此基础上进行的数据融合可以代替飞 行员大脑进行的数据融合，这样既可增强作战态势了解，又可减轻飞行员的负 担，从而提高作战效能。鉴于座舱空间限制和 CRT 尺寸的约束，目前最有优势的大屏幕显示器是有 源矩阵液晶显示器(AMLCD)。美国在 20 世纪 90 年代中期把 AMLCD 列入了国防部 关键技术计划(DCTP)中，并制定了 AMLCD 要求与标准和美国军用飞机彩色 AMLCD 性能标准草案。美国已经用彩色和单色 AMLCD 显示器改装了大量飞行器， 包括 F-15、F-16 和 F-l8 战斗机和 AH-6

14、4 武装直升机等。新研制的下一代 F-22 战斗机、JSF 战斗机和 RAH-66 武装直升机也都采用了 AMLCD 显示器。HMD 可以认为是能随头部转动的 HUD，它的瞄准系统能跟踪飞行员头部位置， 并让其他目标传感器和武器位标器跟踪头盔瞄准线，然后把作战飞行信息显示 在头盔护目镜上，这不但可以克服 HUD 视界固定、视线受限的缺点，而且能确 实做到减轻飞行员负担。现阶段，由于 HMD 显示的信息容量有限，还难以完全 取代 HUD。稳妥的方法是先以 HUD 为主以 HMD 为辅；进一步的发展是以 HMD 为 主、以低矮型 HUD 为辅；随着 HMD 技术的成熟和性能提高，最终将取代 HUD

15、。 从某种程度上讲，它为当今普遍存在的座舱显示问题提供了一种比较理想的解 决途径。在美国新研制的 JSF 战斗机上，就将以先进的 HMD 取代 HUD。5)扩展信息显示通道为了减轻飞行员的视觉负荷，有效的途径是适当地采用听觉、触觉等通道。 在 20 世纪 70 年代末，美、英、法等国都已开展了话音指令系统的预研工作。 目前美军的机载三维声音告警系统已经在海军的 AV-8B 上应用。三维声音告警 系统的优点是以立体声形式提供信息，而不需要飞行员低头看仪表或者学习新 的技能，它能为飞行员提供视野以外的某种事物的相对位置信息，可以是敌导 弹、地面目标、飞行员自己的僚机，甚至是夜间或者恶劣气象条件下着

16、陆的跑 道端部。触敏显示屏是一种新型综合显示控制器。它的按键开关是显示在显示屏上 的光学图像而并非硬件，从广义上讲属于虚拟控制器。其优点是在同一空间兼 有控制和显示两种功能，这不仅大大减少了飞机座舱令人眼花缭乱的开关和按 钮的数量，更重要的是使操纵反应时间大大缩短，可缩短为手动开关反应时间 的三分之一。同时，这些键盘是按需要才显示的，可减少差错，保障飞行安全。 触敏显示的缺点是操作时没有习惯上的触觉反馈，飞行员在使用初期较难适应。 触敏方法有红外、电阻、电容和表面声波几种。但从分辨率、响应速度、成像 质量、可靠性和环境适应性几个方面的优劣进行综合评价，专家认为红外二极 管光敏探测器阵列触敏技术更适合载机使用。6)信息融合及智能化处理把多个信息源传输的相关数据加以处理，融合成一个信息加以显示。例如， 在 ATF 战斗机上一个目标可能同时由雷达、红外搜索与跟踪系统以及无源电子 定位系统探测到，还可能被友机探测到，并通过联合战术信息分配系统通报给 飞行员。采用信息融合、智能化处理后，可以把这些信息融合成单一目标显示 出来。显然，融合处理后所提供的目标数据比个别探测器提供的更完整、更可