論電子飛行膝板的設計與實現范文

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摘要:由于軍用飛機機載座艙環境的使用限制以及保密的相關要求，類似電子飛行包的民用航空技術在軍用飛機領域尚沒有成熟的應用，市場上的普通平板電腦不能滿足機載環境和保密的要求，軟件也未形成相關的標準。近年來，國內已有數家單位在研發用于軍用機載環境的電子飛行膝板，且部分已經開始小規模應用。介紹了一種用于軍用飛機的電子飛行膝板的設計與實現，主要提供飛行卡片制作、瀏覽，基于GPS+北斗2衛星定位，基于數字地圖航線規劃和輔助空中導航等功能，可減輕飛行員訓練操作負擔，提高飛行訓練的安全性。

關鍵詞:電子飛行膝板;飛行卡片;航線規劃;飛行導航

引言

電子飛行包是一種駕駛員飛行助理工具，美國聯邦航空局的咨詢通告(AC120－76A)將電子飛行包定義為:在駕駛艙/客艙使用的電子顯示系統，可容納機組攜帶的所有資料，能將航空圖表、飛行操作手冊、飛行檢查單、最低設備清單及飛行日志等資料進行數字化處理，以方便對機組資料的查詢，逐步實現座艙無紙化［1］。電子飛行包已經廣泛應用于民用航空公司，將民航飛機駕駛艙的數字信息傳輸和管理提升到一個新水平。由于民航飛機座艙環境比較寬松，基本的電子飛行包硬件通常采用移動電腦或個人平板電腦，而在軍機領域，由于其特殊的應用環境，還沒有一套成熟的軟硬件系統實現類似電子飛行包的功能。軍用飛機的飛行員在執行訓練任務時，通常會根據任務單制作飛行卡片，包括任務卡片、檢查單、特情處置卡片等，打印成紙質卡片，安裝在飛行夾板上，飛行夾板通過彈性綁帶固定在大腿部位，便于在飛行過程中查閱相關的信息，攜帶手持GPS導航設備，用于輔助飛行導航。隨著航空電子系統的不斷發展，任務系統的功能不斷拓展，飛行員要執行的作戰和訓練任務也日趨復雜，傳統的用于輔助飛行的紙質飛行夾板和手持GPS導航設備已經無法滿足信息化作戰和訓練的需求。美軍已在F－16、C－130、F/A－18和AH－1W等多種軍用飛機應用定制的EFB執行計劃編制、作戰、搜索、營救和導航等任務［2］。隨著平板電腦和移動終端的普及，部隊也曾經嘗試使用PAD或移動終端來輔助飛行，但商業PAD或移動終端也存在諸多問題，如不能適應復雜的機載環境，不滿足座艙照明的要求，戴手套不便進行觸屏操作，不符合保密要求等。基于以上原因，參考電子飛行包設計技術，提出了一種基于加固平板電腦的電子飛行膝板設計，硬件上可滿足復雜機載環境的要求，軟件提供相對靈活的交互式應用。

1相關技術

1．1電子飛行包

在民航局的資訊通告中(AC－121－FS－2009－31)，電子飛行包英文名稱為ElectronicFlightBag(簡稱EFB)，定義其為:包含用于支持一定功能的軟硬件，用于駕駛艙或客艙的電子顯示系統［3］。EFB的基本功能有:1)電子化的文件、手冊、圖表和資料，便于隨時調用查閱;2)電子航圖，包括終端區圖、進近圖、地面滑行數據及航路導航數據庫，供隨時調用查閱或地面活動顯示;3)電子檢查單，包括起飛著陸用檢查單、應急檢查單;4)電子化的飛行性能計算;5)電子化的飛行日志;6)電子視頻監視，包括對機外情況(各種操作面的位置、結冰情況、起落架位置)和客艙監視(駕駛艙門附近的情況、各段客艙內旅客情況)［1］。

1．2移動終端

移動終端系統是一種強調無線通信的嵌入式計算機系統。它包含所有支持通用嵌入式計算機系統的必要組件和用來執行通信任務的特別組件。從功能上來講，一個移動終端系統應該包括以下部分:通信子系統、應用子系統、內存子系統、多媒體子系統、操作系統子系統、平臺操作子系統、電源管理子系統和安全子系統。不同終端可以采用不同的體系結構，相應地也就采用了不同的子系統劃分方式［1］，其中一種系統結構如圖1所示。圖1移動終端系統結構

2總體設計

2．1設計需要考慮的因素

電子飛行膝板的主要功能包括幫助飛行員完成任務計劃編制、基于數字航圖的飛行航線規劃、基于衛星定位的空中導航等。作為在座艙環境下使用的一款輔助作戰訓練的電子設備，需要考慮其特殊的應用環境。首先，軍用飛機，尤其是殲擊機，其座艙環境復雜，空間小，無法將設備安裝在座艙內;其次，由于軍用飛機的全天候作戰需求，對電子設備工作的環境適應性，如溫度、濕熱、低氣壓、加速度、振動、沖擊等要求較高。此外，由于需要在陽光下可視以及在夜間環境使用時不能影響其他照明設備，需要設備的顯示亮度具有很寬的調節范圍。飛行員操縱飛機時都帶飛行手套，僅觸屏操作很難滿足飛行員的操作要求。在座艙環境下，對電磁兼容性及電池的安全性也必須滿足相關國軍標的要求。基于以上考慮，商用平板電腦顯然無法滿足。需要基于商用平板電腦技術進行定制設計。

2．2電子飛行膝板系統結構設計

電子飛行膝板的系統結構設計借鑒了加固平板電腦和移動終端設計技術，由處理器模塊、衛星定位模塊、顯示單元、機械按鍵板、電池、天線及外設(電源適配器、耳機、USB等)組成。電子飛行膝板系統結構圖如圖2所示。圖2電子飛行膝板系統結構圖

2．3電子飛行膝板工作原理

電子飛行膝板包括硬件平臺、操作系統和應用軟件。由可充電鋰電池為處理器、顯示屏、BD2/GPS等模塊或組件供電。處理器模塊完成所有的數據處理功能，是電子飛行膝板硬件的核心模塊。處理器上集成了處理器、存儲器、接口驅動電路、音頻電路、光感應電路、北斗2/GPS模塊等多種功能電路，操作系統及應用軟件駐留在處理器的存儲器上，系統加電后對各設備進行初始化和工作狀態的掃描。系統啟動完成后，顯示主界面，用戶可通過觸屏或機械按鍵進行各項功能的操作。

2．4電子飛行膝板外觀及人機交互設計

電子飛行膝板提供了多點觸控電容式觸屏，顯示屏尺寸采用16:9的7inLCD液晶屏，考慮到飛行員在機上操作的使用要求，在提供觸屏設計的基礎上，同時設計了具有背光功能物理按鍵，除電源、主頁、返回、方向、確認等標準按鍵外，還提供了亮度調節、地圖縮放、晝夜切換、鎖屏、功能切換、數據銷毀等特定的功能按鍵，見圖3。在數據交換方面，提供定制連接器的USB2．0接口，可實現與地面數據加載設備間的數據交換。圖3電子飛行膝板外觀

2．5結構及環境適應性設計

電子飛行膝板的環境適應性設計包括結構加固設計、熱設計、座艙照明設計等。在結構設計上，既要滿足強度要求，又要最大限度的減輕重量。電子飛行膝板結構部分包括上、下殼體，電池緊固件和安裝綁帶等。上殼體采用PC+ABS材料，其特點是質量輕、流動性好，強度高。下殼體采用鋁鎂合金，確保與綁帶安裝部分的強度滿足設計要求。熱設計上，選擇工業級標準元器件，處理器和電池與后殼體通過高導熱材料貼合。在座艙照明環境適應性設計上，LCD顯示模組通過調整PWM和LED背光燈，使得顯示屏具有較高的亮度調節范圍，最低亮度可達0．17cd/m2以下，最高亮度達到600cd/m2以上，滿足機載座艙照明環境的要求。

2．6軟件設計電子飛行膝板軟件包括地面軟件、系統軟件和應用軟件組成。

2．6．1地面支持軟件設計在線編程用于操作系統或應用程序開發完成后，將操作系統或應用程序固化到模塊的FLASH存儲器中，以便上電后讓其自動運行。在線編程軟件分為兩部分，一部分駐留在目標機中，稱為在線編程軟件，一部分駐留在PC機中，稱為在線編程加載軟件。二者通過USB2．0接口按照一定的協議約定完成在線編程功能。2．6．2系統軟件設計系統軟件用于支持用戶可靠、方便地運行、開發、調試應用程序。系統軟件包括操作系統、設備驅動、數據自毀軟件和BIT軟件。2．6．3應用軟件設計電子飛行膝板應用軟件包括數據加密軟件、飛行卡片制作顯示、航線規劃、飛行導航、數據管理等軟件。飛行卡片包括飛行任務卡片、檢查單、特情處置卡片等，可以是word文檔或PDF文件，用戶可以在電子飛行膝板上制作飛行卡片，也可以將地面PC制作的卡片導入到電子飛行膝板中。檢查單主要用于飛行前、后的各項檢查，特情處置用于飛行過程中出現緊急時，指導飛行員緊急避險，其功能類似EFB的電子檢查單，主要作用是檢查飛機狀態，這種檢查在遇到非正常或者在使用緊急檢查單的時候非常重要，其中內置的操作程序主要是規定飛行員參照完成的標準操作程序，目的是為了減少飛行員可在非標準狀況下的思考時間，準確的完成最有利、最安全的操作程序，從而避免航空安全事故的發生，最大限度、最快速的幫助飛行員實現對飛機的控制［4］。“航線規劃”是用戶按照領航的基本要求，在數字地圖上標劃所要執行任務的飛行航線和相關內容，是用戶飛行前的必要準備工作。飛行導航軟件接收GPS和北斗2兩種定位信號，根據衛星定位信號及航線規劃內容實現導航功能，并能對航線軌跡進行記錄和回放。數據管理功能主要實現機場、空域、航路點、航線等數據的維護管理。

3其他設計

3．1界面設計

電子飛行膝板將各軟件功能集成到一個主界面上，見圖4，支持觸屏和按鍵操作進入相應的應用程序。

3．2數據安全設計

數據安全設計包括用戶身份認證，數據加密，定制專用數據接口，取消移動網絡、WIFI、藍牙等無線設備，提供一鍵數據清除功能。用戶持續按“自毀”鍵超過3s，則系統自動觸發數據銷毀功能，可將用戶存儲區的數據清除，不影響系統軟件。

3．3安裝綁帶設計

電子飛行膝板通過安裝綁帶固定在飛行員大腿部位，安裝綁帶的設計主要考慮以下因素:1)適應不同體型的飛行員;2)不影響抗荷服、代償服工作;3)在飛機大機動時設備不脫落;4)易于裝卸;5)在緊急彈射時設備不脫離或脫離時不影響彈射通道及威脅飛行員安全。基于以上考慮，安裝綁帶設計采用具有粘接功能的高強度彈性材料，彈性綁帶的長度、可拉伸長度及粘接部分的長度設計應滿足不同體型飛行員腿圍的要圖5安裝綁帶求，彈性帶上附加一組鎖扣進行二次固定，防止粘接區域失效而導致設備脫落，綁帶及安裝見圖5。綁帶和電子飛行膝板結構設計通過高速氣流吹襲試驗及高速滑車彈射試驗，證明未影響彈射安全。

3結束語

為某型飛機研制的電子飛行膝板已經完成樣機的設計和初步軟件開發，正在進行試飛工作，該產品為飛行員提供了電子化的飛行助理工具，在軍用飛機領域有較為廣闊的應用前景，隨著軟件功能的不斷完善，其應用范圍可擴展到更廣泛的領域。該產品具有良好的用戶體驗，貼近飛行員需求，降低飛行員機艙操作負擔，提高飛行訓練安全水平，具有很好的市場前景以及實用價值。

參考文獻:

［1］路晶，何元清，劉曉東．基于iOS平臺的電子飛行包設計與實現［J］．計算機與現代化，2013(4):223－227．

［3］楊陽，張詩翱．淺析電子飛行包［J］．科技資訊，2014，12(24):7－8．

［4］張序，陳琳，譚力，等．電子飛行包系統的設計與應用［J］．成都工業學院學報，2014，17(2):16－19．

作者：王保衛 張妍典  單位：航空工業西安航空計算技術研究所