论电子飞行膝板的设计与实现范文

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摘要:由于军用飞机机载座舱环境的使用限制以及保密的相关要求，类似电子飞行包的民用航空技术在军用飞机领域尚没有成熟的应用，市场上的普通平板电脑不能满足机载环境和保密的要求，软件也未形成相关的标准。近年来，国内已有数家单位在研发用于军用机载环境的电子飞行膝板，且部分已经开始小规模应用。介绍了一种用于军用飞机的电子飞行膝板的设计与实现，主要提供飞行卡片制作、浏览，基于GPS+北斗2卫星定位，基于数字地图航线规划和辅助空中导航等功能，可减轻飞行员训练操作负担，提高飞行训练的安全性。

关键词:电子飞行膝板;飞行卡片;航线规划;飞行导航

引言

电子飞行包是一种驾驶员飞行助理工具，美国联邦航空局的咨询通告(AC120－76A)将电子飞行包定义为:在驾驶舱/客舱使用的电子显示系统，可容纳机组携带的所有资料，能将航空图表、飞行操作手册、飞行检查单、最低设备清单及飞行日志等资料进行数字化处理，以方便对机组资料的查询，逐步实现座舱无纸化［1］。电子飞行包已经广泛应用于民用航空公司，将民航飞机驾驶舱的数字信息传输和管理提升到一个新水平。由于民航飞机座舱环境比较宽松，基本的电子飞行包硬件通常采用移动电脑或个人平板电脑，而在军机领域，由于其特殊的应用环境，还没有一套成熟的软硬件系统实现类似电子飞行包的功能。军用飞机的飞行员在执行训练任务时，通常会根据任务单制作飞行卡片，包括任务卡片、检查单、特情处置卡片等，打印成纸质卡片，安装在飞行夹板上，飞行夹板通过弹性绑带固定在大腿部位，便于在飞行过程中查阅相关的信息，携带手持GPS导航设备，用于辅助飞行导航。随着航空电子系统的不断发展，任务系统的功能不断拓展，飞行员要执行的作战和训练任务也日趋复杂，传统的用于辅助飞行的纸质飞行夹板和手持GPS导航设备已经无法满足信息化作战和训练的需求。美军已在F－16、C－130、F/A－18和AH－1W等多种军用飞机应用定制的EFB执行计划编制、作战、搜索、营救和导航等任务［2］。随着平板电脑和移动终端的普及，部队也曾经尝试使用PAD或移动终端来辅助飞行，但商业PAD或移动终端也存在诸多问题，如不能适应复杂的机载环境，不满足座舱照明的要求，戴手套不便进行触屏操作，不符合保密要求等。基于以上原因，参考电子飞行包设计技术，提出了一种基于加固平板电脑的电子飞行膝板设计，硬件上可满足复杂机载环境的要求，软件提供相对灵活的交互式应用。

1相关技术

1．1电子飞行包

在民航局的资讯通告中(AC－121－FS－2009－31)，电子飞行包英文名称为ElectronicFlightBag(简称EFB)，定义其为:包含用于支持一定功能的软硬件，用于驾驶舱或客舱的电子显示系统［3］。EFB的基本功能有:1)电子化的文件、手册、图表和资料，便于随时调用查阅;2)电子航图，包括终端区图、进近图、地面滑行数据及航路导航数据库，供随时调用查阅或地面活动显示;3)电子检查单，包括起飞着陆用检查单、应急检查单;4)电子化的飞行性能计算;5)电子化的飞行日志;6)电子视频监视，包括对机外情况(各种操作面的位置、结冰情况、起落架位置)和客舱监视(驾驶舱门附近的情况、各段客舱内旅客情况)［1］。

1．2移动终端

移动终端系统是一种强调无线通信的嵌入式计算机系统。它包含所有支持通用嵌入式计算机系统的必要组件和用来执行通信任务的特别组件。从功能上来讲，一个移动终端系统应该包括以下部分:通信子系统、应用子系统、内存子系统、多媒体子系统、操作系统子系统、平台操作子系统、电源管理子系统和安全子系统。不同终端可以采用不同的体系结构，相应地也就采用了不同的子系统划分方式［1］，其中一种系统结构如图1所示。图1移动终端系统结构

2总体设计

2．1设计需要考虑的因素

电子飞行膝板的主要功能包括帮助飞行员完成任务计划编制、基于数字航图的飞行航线规划、基于卫星定位的空中导航等。作为在座舱环境下使用的一款辅助作战训练的电子设备，需要考虑其特殊的应用环境。首先，军用飞机，尤其是歼击机，其座舱环境复杂，空间小，无法将设备安装在座舱内;其次，由于军用飞机的全天候作战需求，对电子设备工作的环境适应性，如温度、湿热、低气压、加速度、振动、冲击等要求较高。此外，由于需要在阳光下可视以及在夜间环境使用时不能影响其他照明设备，需要设备的显示亮度具有很宽的调节范围。飞行员操纵飞机时都带飞行手套，仅触屏操作很难满足飞行员的操作要求。在座舱环境下，对电磁兼容性及电池的安全性也必须满足相关国军标的要求。基于以上考虑，商用平板电脑显然无法满足。需要基于商用平板电脑技术进行定制设计。

2．2电子飞行膝板系统结构设计

电子飞行膝板的系统结构设计借鉴了加固平板电脑和移动终端设计技术，由处理器模块、卫星定位模块、显示单元、机械按键板、电池、天线及外设(电源适配器、耳机、USB等)组成。电子飞行膝板系统结构图如图2所示。图2电子飞行膝板系统结构图

2．3电子飞行膝板工作原理

电子飞行膝板包括硬件平台、操作系统和应用软件。由可充电锂电池为处理器、显示屏、BD2/GPS等模块或组件供电。处理器模块完成所有的数据处理功能，是电子飞行膝板硬件的核心模块。处理器上集成了处理器、存储器、接口驱动电路、音频电路、光感应电路、北斗2/GPS模块等多种功能电路，操作系统及应用软件驻留在处理器的存储器上，系统加电后对各设备进行初始化和工作状态的扫描。系统启动完成后，显示主界面，用户可通过触屏或机械按键进行各项功能的操作。

2．4电子飞行膝板外观及人机交互设计

电子飞行膝板提供了多点触控电容式触屏，显示屏尺寸采用16:9的7inLCD液晶屏，考虑到飞行员在机上操作的使用要求，在提供触屏设计的基础上，同时设计了具有背光功能物理按键，除电源、主页、返回、方向、确认等标准按键外，还提供了亮度调节、地图缩放、昼夜切换、锁屏、功能切换、数据销毁等特定的功能按键，见图3。在数据交换方面，提供定制连接器的USB2．0接口，可实现与地面数据加载设备间的数据交换。图3电子飞行膝板外观

2．5结构及环境适应性设计

电子飞行膝板的环境适应性设计包括结构加固设计、热设计、座舱照明设计等。在结构设计上，既要满足强度要求，又要最大限度的减轻重量。电子飞行膝板结构部分包括上、下壳体，电池紧固件和安装绑带等。上壳体采用PC+ABS材料，其特点是质量轻、流动性好，强度高。下壳体采用铝镁合金，确保与绑带安装部分的强度满足设计要求。热设计上，选择工业级标准元器件，处理器和电池与后壳体通过高导热材料贴合。在座舱照明环境适应性设计上，LCD显示模组通过调整PWM和LED背光灯，使得显示屏具有较高的亮度调节范围，最低亮度可达0．17cd/m2以下，最高亮度达到600cd/m2以上，满足机载座舱照明环境的要求。

2．6软件设计电子飞行膝板软件包括地面软件、系统软件和应用软件组成。

2．6．1地面支持软件设计在线编程用于操作系统或应用程序开发完成后，将操作系统或应用程序固化到模块的FLASH存储器中，以便上电后让其自动运行。在线编程软件分为两部分，一部分驻留在目标机中，称为在线编程软件，一部分驻留在PC机中，称为在线编程加载软件。二者通过USB2．0接口按照一定的协议约定完成在线编程功能。2．6．2系统软件设计系统软件用于支持用户可靠、方便地运行、开发、调试应用程序。系统软件包括操作系统、设备驱动、数据自毁软件和BIT软件。2．6．3应用软件设计电子飞行膝板应用软件包括数据加密软件、飞行卡片制作显示、航线规划、飞行导航、数据管理等软件。飞行卡片包括飞行任务卡片、检查单、特情处置卡片等，可以是word文档或PDF文件，用户可以在电子飞行膝板上制作飞行卡片，也可以将地面PC制作的卡片导入到电子飞行膝板中。检查单主要用于飞行前、后的各项检查，特情处置用于飞行过程中出现紧急时，指导飞行员紧急避险，其功能类似EFB的电子检查单，主要作用是检查飞机状态，这种检查在遇到非正常或者在使用紧急检查单的时候非常重要，其中内置的操作程序主要是规定飞行员参照完成的标准操作程序，目的是为了减少飞行员可在非标准状况下的思考时间，准确的完成最有利、最安全的操作程序，从而避免航空安全事故的发生，最大限度、最快速的帮助飞行员实现对飞机的控制［4］。“航线规划”是用户按照领航的基本要求，在数字地图上标划所要执行任务的飞行航线和相关内容，是用户飞行前的必要准备工作。飞行导航软件接收GPS和北斗2两种定位信号，根据卫星定位信号及航线规划内容实现导航功能，并能对航线轨迹进行记录和回放。数据管理功能主要实现机场、空域、航路点、航线等数据的维护管理。

3其他设计

3．1界面设计

电子飞行膝板将各软件功能集成到一个主界面上，见图4，支持触屏和按键操作进入相应的应用程序。

3．2数据安全设计

数据安全设计包括用户身份认证，数据加密，定制专用数据接口，取消移动网络、WIFI、蓝牙等无线设备，提供一键数据清除功能。用户持续按“自毁”键超过3s，则系统自动触发数据销毁功能，可将用户存储区的数据清除，不影响系统软件。

3．3安装绑带设计

电子飞行膝板通过安装绑带固定在飞行员大腿部位，安装绑带的设计主要考虑以下因素:1)适应不同体型的飞行员;2)不影响抗荷服、代偿服工作;3)在飞机大机动时设备不脱落;4)易于装卸;5)在紧急弹射时设备不脱离或脱离时不影响弹射通道及威胁飞行员安全。基于以上考虑，安装绑带设计采用具有粘接功能的高强度弹性材料，弹性绑带的长度、可拉伸长度及粘接部分的长度设计应满足不同体型飞行员腿围的要图5安装绑带求，弹性带上附加一组锁扣进行二次固定，防止粘接区域失效而导致设备脱落，绑带及安装见图5。绑带和电子飞行膝板结构设计通过高速气流吹袭试验及高速滑车弹射试验，证明未影响弹射安全。

3结束语

为某型飞机研制的电子飞行膝板已经完成样机的设计和初步软件开发，正在进行试飞工作，该产品为飞行员提供了电子化的飞行助理工具，在军用飞机领域有较为广阔的应用前景，随着软件功能的不断完善，其应用范围可扩展到更广泛的领域。该产品具有良好的用户体验，贴近飞行员需求，降低飞行员机舱操作负担，提高飞行训练安全水平，具有很好的市场前景以及实用价值。

参考文献:

［1］路晶，何元清，刘晓东．基于iOS平台的电子飞行包设计与实现［J］．计算机与现代化，2013(4):223－227．

［3］杨阳，张诗翱．浅析电子飞行包［J］．科技资讯，2014，12(24):7－8．

［4］张序，陈琳，谭力，等．电子飞行包系统的设计与应用［J］．成都工业学院学报，2014，17(2):16－19．

作者：王保卫 张妍典  单位：航空工业西安航空计算技术研究所