教练机综合备份导航显示系统研究

赵 影，张明明，方佳在，周长明

(航空工业洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

随着航空电子技术的发展，教练机的备份导航系统由最初单一的应急磁罗盘，发展到应急磁罗盘和应急地平仪，到固态航姿、光纤捷联航姿，再到综合备份仪表显示系统等，经历了漫长的过程，取得了令人瞩目的成绩。随着综合水平的提高，不仅增强了系统功能、提高了系统可靠性，同时也提升了对各种飞机不同需求的适应能力。传统的分离式仪表显示概念已被淡化，综合显示处理系统的概念得到了空前加强，备份仪表的综合化也越来越成为用户广泛关注的问题[1]。

目前综合备份导航系统也逐渐实现了备份仪表由机电模拟显示（应急磁罗盘、应急地平仪及航姿系统）向数字液晶一体化综合显示的飞跃[2]。

1 教练机综合备份导航显示系统现状

现阶段多数教练机在主航姿系统失效情况下以应急仪表方式（即应急地平仪、应急磁罗盘）向飞行员提供安全返航所需航向、俯仰、横滚等信息。其显示仪表由机械仪表组成。由于机械仪表占用固定空间，属于空间分割显示的专用仪表。因此，机械仪表通常显示的信息量小，灵活性差，其功能受限制[3]。随着教练机性能提升，未来对备份导航系统的要求越来越高，显示的信息日益增加，造成座舱仪表数量越来越多，仪表板拥挤，仪表利用率也低，进而导致飞行员负荷过重、差错增加的出现。要解决这一问题，就必须采用综合化的设计思路，发展综合备份导航显示系统。

2 综合备份导航显示系统

综合备份导航显示系统是一种时分制仪表[3]，一种小型化的多功能综合显示器，能够将备份显示的航向、姿态、高度、速度等信息同时显示在一个显示屏中，各种字符按一定位置和活动范围被合理地编排组合或综合在一起构成一个完整的显示格式。具有一表多用的优点，大大减少了仪表数量和占用空间，使飞行员能够在有限的观察空间内获取大量的飞行信息。综合备份导航显示系统具有如下优点：

1）座舱布局简洁

综合备份导航显示系统整合了传统飞机上必备的4个备用仪表（应急地平仪、空速表、气压高度表、应急磁罗盘）全部功能，将其信息显示在一个显示屏中，降低了飞行员负担。

2）数字化显示

传统的备份仪表采用指针式指示方式，其显示信息比较单一，工作稳定性差，无法读取精确数据。

综合备份导航显示系统采用液晶显示器，利用内部的图形处理模块，运用数字信号处理技术，是数字与图形的组合显示方式，显示信息直观、易读，数据显示精度大大提高，可以显示丰富的信息。其显示画面可以与主显示器保持高度一致，方便飞行员的判读。

3）信息显示丰富

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传统的备份仪表中高度表和空速表采用机械式结构，无法接入任何其他系统信息；备份航姿系统虽可以接入无线电航向或塔康、ILS信息，但是受显示能力限制，不能显示更丰富的信息。

综合备份导航显示系统由于采用数字化设计和液晶显示方式，可以接收飞机发动机、燃油、告警等系统提供的信息，采用画面切换的方式向飞行员提供显示信息，丰富了备份情况下飞行员获得的飞机状态信息，可以更好的保障飞行安全。

图1 综合备份导航显示系统

3 某教练机综合备份导航显示系统

综合备份导航显示系统是集信号源和液晶显示模块为一体的导航系统，可实时输出并显示飞机当前的磁航向角、俯仰角、倾斜角、空速、气压高度及应急航姿备份显示系统工作状态信号。

综合备份导航显示系统也可以接收、显示机上总线协议的信号。

当飞机主导航系统发生故障或失效时，为飞机提供完成导航任务的能力，保障飞行安全。

3.1 系统组成（见图1）

综合备份导航显示系统由一体化仪表、捷联磁传感器、显示器组成。

一体化仪表显示屏的类型是单色LCD（液晶显示）屏，显示画面为图形与数字显示。显示屏可以显示气压高度、空速、飞机的过载信号、飞机的倾斜角、俯仰角、磁航向角等信息，可用功能键进行切换。

显示器显示航向、姿态、无线电方位、高度、速度等信息；可以与一体化仪表进行交联，接收并显示相应信息；也可以根据用户需要与惯性导航系统进行系统交联，接收并显示相应信息。显示器内安装备用电池，平时用机上电源供电，在飞机断电情况下，可打开备用电池开关，用备用电池给一体化仪表和显示器供电，可以保持正常工作一到两小时。

显示器面板的周边键可以完成显示画面切换、显示器显示亮度调节等功能，画面和周边键功能的扩展可根据用户需要进行调整；显示器也可以根据用户需要选择不同的接口模块，接收RS422、ARINC429串行信号等。

捷联磁传感器用来敏感测量较为微弱的地球磁场分布信号，提供磁航向。

3.2 工作原理

综合备份导航显示系统采用微机械陀螺、微机械加速度计和捷联磁传感器来敏感测量飞机飞行过程中，沿机体三个轴向的运动角速率、线加速度信号及地磁信号分量，经A/D转换后，传输给专用导航计算机（DSP数字信号处理器），并采用相应的航姿解算算法、误差补偿、温度补偿、扩展卡尔曼滤波等技术，得到载体的俯仰角、倾斜角和磁航向信息，并实时显示在显示屏上；应急航姿备份显示系统接收大气传感器感测到的总压、静压、总压温度和静压温度，通过导航计算机解算出飞机的空速和气压高度信息，并实时显示在显示屏上。交联关系图如图2所示。

图2 某型教练机综合应急备份导航显示系统交联关系图

3.3 安装方式及位置

一体化仪表安装在后座舱内，用螺钉将一体化仪表固紧在飞机仪表板上，显示器安装在座舱仪表板，便于飞行员观察。

捷联磁传感器用来敏感测量较为微弱的地球磁场分布信号，机上的铁磁物质材料和设备产生的电磁场，将直接影响传感器的航向测量精度，因此该传感器应被安装在远离机上含有铁磁的物质材料及工作过程中可能产生较强电磁场的设备位置，一般将其安装在飞机的垂直尾翼或机翼端部位置处。在其安装位置的近距离处，不应有含铁磁物质材料的零部件，固定捷联磁传感器的螺钉应使用配套的无磁黄铜螺钉。

4 结语

某型教练机的综合备份导航显示系统集信号源和显示设备为一体，是独立的姿态、航向、大气数据信息测量与显示系统，是未来的发展趋势之一。其次，在算法中除了航姿解算算法外，还使用了Kalman滤波算法。再次，整个系统优点在于系统拥有自己独立的传感器，自成系统，自主完成航向、姿态的解算，不因外部辅助信息的失效而失效。因此，综合备份导航显示系统具有一定的先进性。