小型通用飞机座舱显示器发展研究

姜琳琳

（中航工业西安航空计算技术研究所 陕西 西安 710119）

小型通用飞机座舱显示器发展研究

姜琳琳

（中航工业西安航空计算技术研究所 陕西 西安 710119）

座舱显示器是飞行员与飞机最重要的人机接口。小型通用飞机的座舱显示器应具有功能丰富、操作简单、可靠性高、安全性高、成本低等特点。针对小型通用飞机对座舱显示器多方面的需求，研究了飞机座舱显示器的工作原理，分析了目前国内外小型通用飞机座舱显示器的发展现状，总结了我国在小型通用飞机座舱显示器研发方面与国外的差距。通过对美国小型通用飞机发展历程的研究，提出了我国面向小型通用飞机应用的新一代座舱显示器的发展方向。

小型通用飞机；座舱显示器；工作原理；发展方向

目前，民用航空分为两大类，分别是商业航空和通用航空。商业航空是指以民用航空器进行经营性的客货运输的航空活动；通用航空是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括从事工业、农业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。

长期以来，我国在航空产品开发方面都是以军机为核心，民机方面投入的资源有限，并且以干线机和支线机为主，通用飞机则处于从属和次要地位，只能算是附属产品。我国通用航空要想获得实质性的发展，市场上就要有物美价廉、安全可靠、适合企业或个人使用的小型通用飞机，相应就需要系列化的高质量、低成本、安全可靠的配套机载设备。

座舱显示器是飞行员与飞机最重要的人机接口。在飞行状态中，座舱显示器必须保证飞行员能在较短的时间内准确的获取所需要的信息，进行及时、安全的操纵。随着航空电子技术的发展，座舱显示器需要以更灵活的方式向飞行员提供适合、及时和准确的数据，并为飞行员的安全提供必要的提示。

1 座舱显示器发展历程

随着机载计算机技术的不断发展，飞机座舱显示器经历了从简单仪表显示到综合显示，从初步综合显示到高度综合显示的发展过程。

1.1 机电式仪表

70年代前，飞机大多数采用传统的机械式、电气式和电动式仪表，这些仪表都是利用显示部件之间的相对机械运动来显示有关参数，常用的有指针-刻度盘式、指针-刻度带式、标记、图形等。这类仪表的优点是直观、显示清晰；缺点是部件之间的相对运动存在摩擦，影响显示精度与相应速度，寿命短，可靠性差。随着现代飞机的性能越来越先进、功能越来越多、结构越来越复杂，座舱内的仪表数量大幅度增加、一方面飞行员必须随时了解各系统的工作参数，另一方面则会因仪表数量过多，分布过于分散而大大加重了飞行员的身心负担，甚至有可能超过其生理和心理承受极限[1]。

LA-250是美国Lake公司自1982年研制生产的两栖多用途飞机，图1为LA-250座舱仪表板。

图1 LA-250飞机座舱仪表板Fig.1 Aircraft cockpit pane of LA-250

由于传统仪表的缺点，导致客观上要求飞机座舱的仪表设备必须大幅度精简、综合，以最集中、方便、清晰、形象、直观的方式向飞行员提供最需要的信息，减少飞行员的视觉疲劳，使其保持充沛的精力和体力，以便完成最主要、最关键的工作，实现这些功能的就是综合显示设备。

1.2 综合显示器

综合显示器是一种光电显示设备，一般安装在中央仪表板上，由相应的机载系统向其提供显示信息，以画面、字符、数据等方式向飞行员提供一幅幅完整的显示飞行、驾驶、导航、动力装置等系统工作状态的画面。综合显示器并不同时显示所有的信息，而是根据飞行员的操作或者系统认定的重要度，向飞行员提供所需的信息，暂时不太重要的信息则不显示。飞行员可按下显示器周围的按钮来得到需要显示的信息 。

综合显示器的应用，一方面减轻了飞机座舱的拥挤，另一方面使得一些复杂飞行状况变得一目了然，推动了一代座舱显示的革命。目前，综合显示器经历了CRT（阴极射线管）显示器和平板显示器两个发展阶段。

1.2.1 CRT显示器

CRT显示器是一种使用阴极射线管（Cathode Ray Tube）的显示器，阴极射线管主要有5部分组成：电子枪，偏转线圈、荫罩、高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳。早期的CRT技术仅能显示光线的强弱，展示黑白画面，而彩色CRT具有红色、绿色和蓝色三支电子枪，三支电子枪同时发射电子打在屏幕玻璃上来显示颜色。

CRT显示器固有的一些物理局限性制约了它向更高层次的发展。首先，CRT显示器由电子束扫描成像，存在图像闪烁抖动、失真的现象；其次，CRT显示器体积庞大，功耗大，发热量大；而其最顽固的一个缺点就是辐射效应，长时间使用情况下，对飞行员的视力和身体健康极为不利。

1.2.2 平板显示器

随着显示技术的进一步发展，综合显示器逐渐向平板显示器方向发展。平板显示器包括液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、有机发光显示器（OLED）、真空荧光显示器（VFD）和发光二极管（LED）等。

相对于CRT显示器，平板显示器有许多优点：体积小，重量轻，节省了飞机座舱空间；电压低，无X射线辐射，没有闪烁抖动；不产生静电，因此不会影响飞行员的健康；功耗低，几乎不发热，可用电池供电；寿命比CRT显示器长，可靠性更高。因此，目前飞机上已经广泛采用平板显示器代替了CRT显示器。

大篷车是美国塞斯纳公司研制生产的多用途通用飞机，25年以来，各种机型的大篷车飞机的放行可靠率高达99％，图2为大篷车飞机座舱仪表板。

图2 大篷车飞机座舱仪表板Fig.2 Aircraft cockpit panel of caravan

2 座舱显示器国内外发展现状

美国是世界上通用航空最发达的国家，也是通用航空大国，美国通用航空的现状和发展趋势代表着世界通用航空发展的趋势。

G1000系统是由美国GARMIN公司设计制造的一种通用集成航空电子系统，目前广泛安装在塞斯纳公司的172、182、206、350、400，钻石公司的DA40、DA42，新派泊公司的Piper 6X等单、双发活塞式轻型飞机上。G1000系统采用两台10.4英寸、分辨率为1024×768的LCD显示器作为PFD（主飞行显示器）和MFD（多功能显示器），PFD和MFD互为冗余备份。每台显示器通过RS232、RS485、ARINC429总线与音频控制器、大气数据计算机、姿态航向基准系统、机身/发动机参数采集器等机载设备互连，两台显示器之间通过高速以太网交换数据。图3为G1000航电系统座舱显示器。

图3 G1000航电系统座舱显示器Fig.3 Aircraft cockpit display of G1000 avionics system

随着通用飞机的快速发展，高端通用飞机座舱中出现了EFB（电子飞行包）显示器。美国Astronautics公司设计制造的NEXISTM智能飞行系统提供了完美的EFB软硬件解决方案。NEXISTM智能飞行系统采用8×10.3英寸的LED显示器，显示分辨率为1024×768，支持触摸和虚拟键盘操作方式。该显示器选用了Intel公司的CoreTMi7处理器，采用Linux操作系统，同时集成了ARINC429、ARINC717、全双工以太网、RS422、USB等接口。

海鸥300飞机综合航电系统是国内首款按照CCAR（中国民用航空规章）第23部进行设计，并随飞机进行系统适航取证的综合航电系统，该航电系统的架构与G1000系统类似，配置的两台显示器在功能定义和对外接口方面与G1000系统也基本相同。图4为海鸥300飞机座舱仪表板。

图4 海鸥300飞机座舱仪表板Fig.4 Aircraft cockpit panel of sea gull 300

长沙景嘉电子有限公司在2011年推出了最新的加固型SMART机载智能显示器，该显示器采用Freescale公司的MPC8270处理器和VxWorks操作系统，同时集成了RS232、RS422、1553B和以太网接口，适合机载、舰载、车载等恶劣工作环境应用领域。

从我国与美国在小型通用飞机座舱显示器的发展现状对比可以看出，我国在通用航空产品结构、研发能力等方面有一定的基础，但与国外先进技术仍有较大的差距。我国小型通用飞机座舱显示器的研制，尚未建立完善的民机产品研发标准体系，距离形成通用化、系列化的商用货架产品还有相当大的差距。我国通用航空产业的发展，还处在军用技术向民用技术的转型中。

3 新一代座舱显示器发展方向

随着现代飞机的快速发展，未来通用飞机的发展趋势可以概括为：高经济性、高安全性、高舒适性和环境友善性，面向小型通用飞机应用的新一代座舱显示器，应满足多方面的需求和特点。

3.1 处理能力强、功耗低

在飞行过程中，座舱显示器需要向飞行员显示飞行、驾驶、导航、动力装置等系统工作状态，同时根据不同飞行任务的特点，还需要实现三维地图、视景增强、合成视景等显示功能，这就要求新一代座舱显示器具有非常强的数据处理能力。高性能、低功耗的嵌入式处理器的选用能有效的提高座舱显示器的能耗比。小型通用飞机由于机身尺寸、发动机功率和成本等诸多因素的限制，驾驶座舱一般没有空调系统，所以新一代座舱显示器还应具备功耗低、发热量小的特点。

3.2 体积小、重量轻

小型通用飞机座舱尺寸较小，机载设备安装空间有限。机身尺寸和重量的增加就需要增大发动机率，同时直接导致飞机油耗的上升。为满足小型通用飞机高经济性的特点，新一代座舱显示器在满足既定功能的前提下，体积应尽量小，10.4英寸显示器是目前国外小型通用飞机航电系统的主流配置。同时，新一代座舱显示器在设计制造上应尝试采用复合材料，在满足强度要求的同时进一步减轻机身的重量。

3.3 航电接口丰富、扩展性强

小型通用飞机由于其高经济性的特点，均选择低成本的航电系统。不同于大型客机、公务机，小型通用飞机一般不配置核心处理计算机，各种机载设备如音频控制器、大气数据计算机、S模式应答机、甚高频电台、仪表着陆系统、气象雷达等分别通过RS232、RS422、RS485、ARINC429/702、ARINC708/453等接口直接与座舱显示器互联和交换数据，所以新一代座舱显示器应具有丰富的航电设备接口。同时，为适应不同航电系统架构的需求，新一代座舱显示器还需要具备一定的扩展性，满足不同用户可定制的需求。

3.4 通用化、系列化、低成本

目前，通用飞机基本采用紧凑型、自定义的航电系统架构，各设备对外接口定制，不同厂家产品不能互换，通用性、维护性很差。随着机载计算机技术的不断发展，开放式航电系统架构在小型通用飞机中将得以广泛应用。采用开放式航电系统架构后，航电系统构型更加灵活简便，航电系统易于升级，安全性、可靠性更高，维护性更好，同时有更多的商用货架产品可选择。新一代座舱显示器应采用统一的模块化、标准化设计技术，满足统一开放的航电系统标准，采用通用的航空总线，如以太网、ARINC429等，形成通用化、系列化的货架产品，降低设计制造和后期维护的成本，满足小型通用飞机高经济性的特点。

3.5 可靠性高

据统计，人为误操作和恶劣天气因素是导致通用飞机安全事故发生的主要原因，为降低这两种因素对飞行安全的影响，就需要采用具备高可靠性的机载设备。新一代座舱显示器的设计应具有友好的人机工效，最大化的降低误操作的可能，同时在设计上具有一定的余度，提高故障监测和隔离的能力。闪电、湍流、雷暴和结冰是威胁飞行安全的最主要的四种天气现象，新一代座舱显示器的环境适应性应满足DO-160F[2]（机载设备环境条件和试验方法）的要求，尤其是其中雷电感应瞬态敏感性的要求，以满足小型通用飞机高安全性的特点。

3.6 安全性高、取得适航认证

适航，即适航性的简称。民用航空器的适航性是指该航空器包括其部件及子系统整体性能和操作特性在预期运行环境和使用限制下的安全性和物理完整性的一种品质，这种品质要求航空器应始终处于保持符合其型号设计和始终处于安全运行状态。适航标准是为了保证实现民用航空器的适航性而制定的最低安全标准，是通过长期工作积累，吸取了历次飞行事故的教训，经过必要的验证及公开征求公众意见不断修订而成的，是国家法规的一部分，必须严格执行。目前国外比较有名的适航标准有美国联邦航空局的FAR（联邦航空条例）、欧洲联合航空局的JAR（联合航空条例）、我国的适航标准是CCAR（中国民用航空规章），主要参考国际上应用最广泛的美国适航标准，结合国情而制定。

针对小型通用飞机座舱显示器，应遵循CCAR第23部CCAR-23-R3（正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定），涉及到的规定主要为[3]：

· 23.1303 飞行和导航仪表；

· 23.1305 动力装置仪表；

· 23.1309 设备、系统和安装；

· 23.1323 空速指示系统；

· 23.1335 飞行指引系统；

其他重要参考文件包括：

· SAE AS 8034 电子显示器的最低性能标准[4]；

· CAAC CTSO-C113 机载多功能电子显示器[5]。

3.7 满足民机研发标准体系

军机产品在研制与开发过程中，依赖于传统的设计和管理手段，缺乏相应的标准体系。民机产品研制与军机在产品设计目标、设计要求、设计标准、制造试验标准等多个方面存在较大的不同，因此必须建立民机产品的研发体系，遵循民机设计标准和适航标准展开研制。ARP4754[6]（高综合性或复杂飞机系统的认证考虑）与DO-178B[7]（机载系统和设备认证中的软件考虑）、DO-254[8]（机载电子硬件设计保证指南）共同构成了民机开发的标准体系。在该体系中，ARP4754作为顶层标准定义了高集成或复杂航空器系统的认证过程，该标准基于航空器整机的运行环境及功能考虑，定义了航空器整机功能的系统生命周期，而细节的软件、硬件设计标准则分别由DO-178B和DO-254规范。

新一代座舱显示器的软件、硬件研制应严格遵循民机开发的标准体系，对其整个生命周期的每个过程都进行严格控制，包括有效合理的计划、对需求的确认和验证、全过程的构型管理和质量保证，以保证最终产品的安全性水平是可接受的。

4 结束语

小型通用飞机座舱显示器的发展，应着重于减少飞行员的工作量，通过新功能、新技术的不断应用来提高飞机的安全性和可操控性，增加飞行的舒适度。我国未来小型通用飞机座舱显示器的发展，应着重在机载高性能计算与信息处理平台技术、机载设备一体化技术、平板显示新技术、通用飞机适航技术等方面进行长期的研究和探索，推动我国通用航空产业向前发展。

[1] 陈东林.航空概论[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2] RTCA.DO-160F.Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].USA：RTCA，2007.

[3] 中国民用航空局.CCAR-23-R3.正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定[S].中国：中国民用航空局，2004.

[4] SAE.AS 8034.Minimum Performance Standards for Airborne Multipurpose Electronic Displays[S].USA：Warrendale，PA，1991.

[5] 中国民用航空局.CTSO-C113.机载多功能电子显示器[S].中国：中国民用航空局，2012.

[6] SAE.ARP4754.Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S].USA：Warrendale，PA，1996.

[7] RTCA.DO-178B.Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification[S].USA：RTCA，1992.

[8] RTCA.DO-254.Design Assurance Guidance for Airborne Electronic Hardware[S].USA：RTCA，2000.

Research of development of small general aircraft cockpit display

JIANG Lin-lin
（Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xi'an 710119，China）

Aircraft cockpit display plays a significant role in connecting pilot and aircraft.The small general aircraft cockpit display should have the characteristics of rich function，simple operation，high reliability，high safety，low cost，etc.In order to fulfill the various requirements of small general aircraft cockpit display，the paper research the working principle of aircraft cockpit display.Then it analysis the different conditions of aircraft cockpit display's development between civil small general aircraft and abroad，the gap of research and development of small general aircraft cockpit display between our country and foreign country is summarized.At last，through the research of small general aircraft's development process of USA，this paper purposes the development direction of the new generation cockpit display which faces the small general aircraft applications in our country.

small general aircraft；aircraft cockpit display；working principle；development direction

TN27

A

1674-6236（2014）11-0148-04

2014-03-21 稿件编号：201403248

航空科学基金项目资助（201001931004）

姜琳琳（1983—），男，辽宁营口人，硕士，工程师。研究方向：机载计算机应用。