基于复合滤波的座舱显示阻尼处理技术研究

江忠英

（海装驻武汉地区军事代表局驻南昌地区军事代表室 江西省南昌市 330000）

1 引言

随着现代计算机技术和电子信息技术的飞速发展，座舱显示系统已逐步由繁琐的机械仪表转变为智能数字显示，实现高度综合化、智能化。利用SMART 显示器(MFD)对全机各种信息进行综合显示，给飞行员提供一种大视野，更详细的参数显示，同时对参数进行整合，将最终结果更直观的显示在MFD 上，减少飞行员的工作负担，提高人机功效。

目前，各型直升机的MFD 采用实时显示方式，对航电设备传输的数字信号按实际内容直接显示。但在实际飞行中，飞行员发现某些参数会来回抖动，例如指示空速、气压高度、仪表着陆系统等大气参数和组合接收设备参数，有时候电台发射时，油量值会产生瞬间脉冲跳变，容易给飞行员带来困扰和误操作。

鉴于此，本文提出一种基于复合滤波的阻尼处理技术，利用飞参采集的飞机真实值进行大量仿真和测试，并将该技术应用到直升机上。

2 滤波原理

在直升机座舱显示中，数字滤波是一个计算过程，对航电设备传输的消息进行数学运算，使参数显示具有阻尼效果，无需硬件，只要适当改变滤波程序有关参数，就能方便改变滤波特性，能适应具有不同特性的飞行参数。因此可靠性高，不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。

2.1 限幅滤波法和一阶滞后滤波法

限幅滤波法又称程序判别法，通过程序判断被测信号的变化幅度，从而消除缓变信号中的尖脉冲干扰。具体方法是，依赖已有的时域采样结果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若它们的差值超出允许范围，则认为本次采样值受到了干扰，应予剔除，设yn为第n 次采样值，

为第n 次滤波值，采样值和滤波值的差值如下：

在式（1）中，我们取差值的绝对值作为本次采样值的变化量，我们规定相邻两个采样值最大允许增量为，如果本次值与上次值之差大于，则认为本次值无效，放弃本次值，用上次值代替，如果差值小于等于，则取本次值，公式如下：

限幅滤波法的优点是能有效克服因直升机偶然因素引起的脉冲干扰，如电台发射时导致的油量值瞬间跳变，该方法适合于变化比较缓慢的被测量，但无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。

一阶滞后滤波法是用软件的方法实现硬件的RC 滤波，以抑制干扰信号。用此种方法处理低频干扰时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数(RC)和高精度的RC 网络。时间常数越大，其漏电流也必然增大，从而使RC 网络精度下降。采用一阶滞后的数字滤波法，能很好克服这种模拟量滤波器的缺点，同样假设yn为第n 次采样值，为第n 次滤波值，得到一阶滞后滤波法如下：

在式（4）中，T 为采样周期，Tf为滤波周期。

一阶滞后滤波法的优点是能对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合，但相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于值大小，不能消除滤波频率高于采样频率1/2 的干扰信号。

2.2 复合滤波法

直升机座舱显示系统是一个多元复杂系统，如图1所示，在战场中常与其它飞行器、卫星联合作战，负责全机各种信息的综合显示。为实现参数显示阻尼效果，既要消除大幅度的脉冲干扰，又要求数据平滑，将以上两种滤波方法组合起来，形成复合数字滤波器。

图1：单个显示画面（示例）

设yn为第n 次采样值（输入值），为第n 次滤波值（输出显示值），为第n-1 次滤波值，k 为周期比系数，与采样周期T 有关，Tf为滤波周期，相邻两个采样值的最大允许增量计算如下：

在式（5）中，最大允许增量Maxoffset 是Tf的增函数。

设d 为采样值与滤波值的差值，计算如下：

利用该差值可以得到第n 次滤波值为：

该复合滤波法在判定差值|d|小于等于Maxoffset 时，滤波值取当前采样值；反之，滤波值为当前采样值减去自然指数e 的指数次方与差值的乘积，兼具限幅滤波法和一阶滞后滤波法的优点，既能抑制飞行参数大幅度的脉冲干扰，又使数据显示更平滑，消除抖动，实现阻尼效果。

由于复合滤波法的周期比系数k、滤波周期Tf和数据最大值可调，因此在编程计算时，只需对参数进行适当软件修改，就能适应不同类型的参数滤波，实用性更强。

3 实验分析

为模拟直升机真实环境滤波效果，实验中的数据源采用飞行参数采集器(飞参)记录的直升机飞行数据，选取3 组参数进行复合滤波分析，分别为：指示空速、绝对气压高度、无线电罗盘方位角。

3.1 数据滤波处理

飞行参数采集器记录的数据为data_source.LST 文件，如图2所示。从图中可以看出，飞行参数采集器的采集时间为09:52:16:028 ～11:51:57:594，指示空速和绝对气压高度采集时间间隔为31ms，无线电罗盘方位角采集时间间隔为100ms。

图2：飞行参数采集器数据源

复合滤波算法设计中，inputValue 为真实输入值，k 为周期比系数，Tf为滤波周期，old_FilterValue 为上一次滤波输出值，max_value 为数据最大值。通过软件可以将指示空速、绝对气压高度、无线电罗盘方位角提取出来，并按照每个参数的特性做滤波处理。

3.2 滤波周期选择

为确定直升机综合显示控制系统中的Tf值，实验选取同一组数据（周期比系数k 固定），用4 个不同滤波周期Tf对比分析，如图3所示。

图3：滤波周期对比

从图3 可以看出，滤波周期Tf越大，输出越失真、相位更滞后，达不到预期效果，当Tf为0.25 时，既能抑制参数瞬间跳变，又能使滤波输出趋于平滑；与此同时，当前直升机作战飞行软件的任务周期为50 毫秒，在0.25 秒(5 个任务周期)内MFD 足以响应综合任务处理机的数据变化。因此，直升机综合显示控制系统的Tf取0.25。

3.3 实施效果

MATLAB 是一款功能非常强大的数学软件，本实验利用MATLAB 对以上原始数据及滤波后数据进行图形仿真。

指示空速仿真如图4所示，蓝色虚线为滤波前数据，红色实线为滤波后数据，本实验飞参采集的指示空速数据共231394 组。子图1 为所有数据滤波前后对比，子图2 为截取时间7500 ～8200(单位:31 毫秒)放大显示，子图3 为截取时间9220 ～9400(单位:31毫秒)放大显示。从中可以看出，该阻尼处理技术跟随性很好，能准确反映整个飞行过程中的指示空速实际状态，有效滤除时间7689、7712、7940 处的尖峰脉冲，对时间7558、7714、7741、7759、7883、7898、7942、7959、8019、8074、9258、9266 处 数据阶跃跳变起到很好的缓冲作用，使数据显示更平滑，实现阻尼效果。

图4：指示空速仿真

绝对气压高度仿真如图5所示，飞参采集的数据共231394组。子图1 为所有数据滤波前后对比，子图2 为截取时间7400 ～9000( 单位:31 毫秒) 放大显示，子图3 为截取时间85500 ～86000(单位:31 毫秒)放大显示。从中可以看出，该阻尼处理技术对绝对气压高度跟随性很好，不存大的阶跃跳变数据，对于数据来回抖动起到显著滤波效果，使数据显示更趋于平滑。

图5：绝对气压高度仿真

无线电罗盘方位角仿真如图6所示，飞参采集的数据共10188 组。子图1 为所有数据滤波前后对比，子图2 为截取时间7500 ～8200(单位:100 毫秒)放大显示，子图3 为截取时间2200 ～3000(单位:100 毫秒)放大显示。从中可以看出，该阻尼处理技术对无线电罗盘数据跟随性很好，不存在相位滞后现象，对于数据跳变起到缓冲作用，能准确滤除尖峰脉冲。

图6：无线电罗盘方位角仿真

4 结束语

文章在限幅滤波法和一阶滞后滤波法基础上，提出基于复合滤波的阻尼处理技术，并将该技术应用到直升机座舱显示系统中。通过飞行参数采集器采集的飞机真实值做大量实验仿真验证，实验结果表明：该技术安全可靠，无需硬件、不存在阻抗匹配，对数据波动、抖动起到明显抑制作用，能有效滤除尖峰脉冲，对阶跃跳变起到缓冲作用，最终使数据显示趋于平滑，实现阻尼效果。

目前该处理技术已应用到直升机上，机上试飞结果表明：该处理技术效果明显，不存在参数瞬间跳变、来回抖动现象，给飞行员带来更好的飞行体验。随着航空电子系统的高速发展，相信该处理技术会得到更广泛的推广和应用。