綜合顯示系統(tǒng)顯示器動態(tài)重構建模及可靠性分析

竺科帥　張旭

摘? 要：在數(shù)字化技術以及計算機技術推動下，航電系統(tǒng)已然向著綜合化、模塊化的方向發(fā)展。歐盟EP7框架中的“可擴展可沖配置電子平臺與工具”研究計劃指出，下一代航電系統(tǒng)最關鍵的特征是其在飛機運行過程中具備動態(tài)重構的能力。航電系統(tǒng)的動態(tài)重構，不但可以減少飛機上的硬件冗余，降低維護成本，還可以在保持當前安全性和可靠性水平的前提下進一步提高資源的利用率。

關鍵詞：重構;建模;馬爾可夫過程;可靠性分析;顯示系統(tǒng)

引言

直升機綜合顯示系統(tǒng)通常由多功能顯示器、顯示控制處理器和多功能鍵盤組成。多功能查看器的功能是實現(xiàn)飛行參數(shù)顯示，顯示控制處理器的功能是處理其他系統(tǒng)與綜合顯示系統(tǒng)之間的相關數(shù)據(jù)，多功能鍵盤的功能是實現(xiàn)參數(shù)設置、電磁兼容設計。

1人機界面顯示模塊動態(tài)重構分析

作為飛行員獲取飛機性能參數(shù)、導航數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運行狀態(tài)信息的關鍵媒介，對飛機的安全飛行起著關鍵作用。它主要由遠程數(shù)據(jù)集中模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示管理模塊、人機界面顯示模塊四個層級構成。其中，遠程數(shù)據(jù)集中模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及顯示管理模主要通過資源冗余的方式提高其可靠性，而對于人機界面顯示模塊則通過動態(tài)重構提高其可靠性。人機界面顯示模塊主要分為機長側顯示器、副駕駛側顯示器以及中間的ECAM顯示器三部分，且兩兩獨立。此外，機長側的顯示器結構與副駕駛側互成鏡像，均由主飛行顯示器（PFD）、導航顯示器（ND）以及多功能顯示器（MFD）構成。其中，PFD主要以關鍵飛行參數(shù)為主，如：飛行姿態(tài)、空速、高度、航向、垂直速度等等;副駕駛的ND主要顯示導航參數(shù)，而機長的ND除了導航信息外，還會顯示發(fā)動機的轉子轉速、排氣溫度、燃油流量等關鍵的發(fā)動機參數(shù);而MFD作為多功能顯示器，可用于飛行信息集成，發(fā)動機監(jiān)控，飛行參數(shù)配置，氣壓和環(huán)境控制，也支持智能瀏覽，3D地形顯示以及天氣數(shù)據(jù)，飛行數(shù)據(jù)等信息的查找;位于機長和駕駛員之間的電子集中式飛機監(jiān)視器（ElectronicCentralizedAircraftMonitor，ECAM）中，上側的顯示器ECAME/WD主要負責顯示發(fā)動機參數(shù)以及襟翼位置;而下側顯示器ECAMSYS主要用于顯示飛機各個系統(tǒng)的信息，可供飛行員循環(huán)瀏覽所有相關的飛機系統(tǒng)信息。

2綜合顯示系統(tǒng)顯示器可靠性設計

2.1電磁屏蔽設計

屏蔽是將兩個空間區(qū)域之間的金屬隔離開來，以控制一個區(qū)域之間電場、磁場和電磁波的感應和輻射，特別是使用屏蔽罩將整個系統(tǒng)的元件、電路、組件、電纜或干擾源圍起來，以便接收電路、設備或系統(tǒng)被屏蔽，以保護它們不受外部電磁場的影響。大多數(shù)多功能顯示器都是由平板組成的組合結構，通常由支架、平板和緊固件組成。由于板與底板、板與板接頭之間的接觸不能達到理想的表面接觸（實際上是點接觸），必須存在為電磁干擾提供耦合途徑的裂紋，由此產(chǎn)生的放射性干擾波形為直射形式。若要鎖住此路徑，您可以將連接點變更為樓梯結構，也就是說，您可以將抑郁管控面板上的多功能檢視器安裝點變更為樓梯，然后將多功能檢視器包括在其中。此外，窗口結構是多功能顯示器的一個獨特特征，由其工作性質決定，但由于以下顯而易見的原因，它對產(chǎn)品的電磁兼容性產(chǎn)生了非常不利的影響：窗口使多功能顯示器的金屬結構不連續(xù)，整體電導率為為了避免或減輕這種不利影響，我們在直升機中引進了一種材料，即電阻低的ITO導電薄膜、超過90%的可見光透射率（波長380～780nm）、低于l的可見光反射率，以及在d區(qū)安裝ITO導電薄膜隨著IT0導電薄膜的使用，總體產(chǎn)品保護性能有了顯著提高。

2.2天線饋電網(wǎng)絡設計

該天線采用的饋電網(wǎng)絡為雙層拋物線反射面，天線饋源為標準的BJ84波導，饋源中產(chǎn)生的柱面波在通過拋物線反射面反射后將轉化為平面波激勵波導縫隙天線陣。相較于傳統(tǒng)的拋物線反射面，該雙層設計避免了饋源對于反射波的遮擋，從而進一步地提升了天線的效率。饋源激勵時，饋電網(wǎng)絡上層及下層中的電場分布如圖9所示，仿真結果證實了該設計可以在有限的空間中實現(xiàn)良好的柱面波到平面波的轉換效果。反射面上層及下層中波導高度均為16mm，這些高度在設計時應小于二分之一波長，以保證平板波導中TEM波的單模傳輸。此外，由于饋源波導的TE10模式的幅度為錐削分布，該饋源產(chǎn)生的激勵場在經(jīng)過反射面反射后形成的平面波仍保持著中心向兩側逐漸衰減，該分布在激勵天線輻射體時將有利于天線的副瓣抑制。

2.3改進型電探針結構設計

電探針為金屬桿，頂端與螺旋天線相連，底端固定在底板上，波導的上下板呈梯形。研究表明，電眼皮耦合的大小與工作頻率、兩個板塊之間的間距、眼皮半徑、有效眼皮區(qū)域、眼皮阻抗等因素有關。更改這些因素以調整耦合程度更為復雜。由于平板波導因抽真空時內外壓力的差異而變形，電觸頭和扇形片的組合還起到波導的支撐作用，設計環(huán)形切片的尖端以增加電觸頭接觸區(qū)域。在消除反射方面，該結構使用添加支柱的方法來匹配反射，并通過優(yōu)化山脊高度和山脊中心線與電眼皮中心線之間的距離來補償反射。在這種結構中，探針耦合不需要產(chǎn)生波幅差共振，而且具有較高的工作帶寬;控制風扇環(huán)形角度大小和調整耦合量的方法簡單準確。

2.4單機多輸入設備協(xié)同技術

在三維模擬訓練系統(tǒng)中，為單臺計算機連接多個顯示設備和多套輸入設備，如鼠標、鍵盤、觸控屏等，SMCT為每個用戶分配一個顯示設備和一套輸入設備，同時為每個用戶生成一套虛擬的輸入設備圖標，如虛擬鼠標指針等，其示意圖如圖1所示。目前計算機中單個顯卡可以支持多路視頻輸出，通過特定設備可以進一步增加顯示設備的數(shù)量，能夠滿足平臺級裝備模擬訓練系統(tǒng)的需求。對于由多套輸入設備產(chǎn)生的計算機USB接口不足等問題，可采用USB-HUB等設備對計算機USB接口數(shù)量進行擴展。SMCT通過操作系統(tǒng)提供的RawInput[14]相關接口采集各用戶輸入設備的原始輸入信息，然后對采集的輸入數(shù)據(jù)進行解析與封裝，形成可供三維模擬訓練系統(tǒng)識別的數(shù)據(jù)結構，采用多線程異步處理算法處理封裝后的數(shù)據(jù)結構，根據(jù)各用戶的輸入信息生成三維模擬訓練系統(tǒng)中的操作事件，最后通過委托機制將該操作事件分發(fā)給系統(tǒng)中所需要驅動的三維模型，以完成相應的訓練操作。SMCT框架可分為數(shù)據(jù)層和應用層，數(shù)據(jù)層通過操作系統(tǒng)提供的應用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API）采集各輸入設備的輸入數(shù)據(jù)、設備身份標識等信息，通過對輸入設備數(shù)據(jù)的解析處理形成三維模擬訓練系統(tǒng)中的輸入事件供應用層使用。應用層根據(jù)采集的輸入設備信息將各輸入設備虛擬化，為每個用戶生成相應的虛擬輸入設備圖標。通過用戶標定模塊將虛擬輸入設備分配給各用戶，通過使用數(shù)據(jù)層產(chǎn)生的輸入事件對相應的三維模型進行操作。

結束語

本文采用Simulink/Stateflow實現(xiàn)對人機界面顯示模塊進行邏輯建模分析，在減少了大量編程工作的同時，能夠通過模型的實時狀態(tài)遷移直觀清晰的得到系統(tǒng)的有效性，大大提高了系統(tǒng)設計過程中的驗證效率。此外，采用馬爾可夫過程實現(xiàn)對系統(tǒng)可靠性的分析，不僅模型簡單，而且能夠在系統(tǒng)邏輯架構確定之后便開展其可靠性分析工作，并能夠以數(shù)學的形式量化系統(tǒng)的可靠性指標，快速準確。

參考文獻

[1]朱濤，沈明輝，黃紹君，范蓉，周興平.戰(zhàn)術訓練飛行模擬器綜合顯示系統(tǒng)仿真架構與實現(xiàn)[J].指揮控制與仿真，2020，42（02）：124-127.

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