综合显示系统显示器动态重构建模及可靠性分析

竺科帅　张旭

摘  要：在数字化技术以及计算机技术推动下，航电系统已然向着综合化、模块化的方向发展。欧盟EP7框架中的“可扩展可冲配置电子平台与工具”研究计划指出，下一代航电系统最关键的特征是其在飞机运行过程中具备动态重构的能力。航电系统的动态重构，不但可以减少飞机上的硬件冗余，降低维护成本，还可以在保持当前安全性和可靠性水平的前提下进一步提高资源的利用率。

关键词：重构;建模;马尔可夫过程;可靠性分析;显示系统

引言

直升机综合显示系统通常由多功能显示器、显示控制处理器和多功能键盘组成。多功能查看器的功能是实现飞行参数显示，显示控制处理器的功能是处理其他系统与综合显示系统之间的相关数据，多功能键盘的功能是实现参数设置、电磁兼容设计。

1人机界面显示模块动态重构分析

作为飞行员获取飞机性能参数、导航数据以及系统运行状态信息的关键媒介，对飞机的安全飞行起着关键作用。它主要由远程数据集中模块、数据处理模块、显示管理模块、人机界面显示模块四个层级构成。其中，远程数据集中模块、数据处理模块以及显示管理模主要通过资源冗余的方式提高其可靠性，而对于人机界面显示模块则通过动态重构提高其可靠性。人机界面显示模块主要分为机长侧显示器、副驾驶侧显示器以及中间的ECAM显示器三部分，且两两独立。此外，机长侧的显示器结构与副驾驶侧互成镜像，均由主飞行显示器（PFD）、导航显示器（ND）以及多功能显示器（MFD）构成。其中，PFD主要以关键飞行参数为主，如：飞行姿态、空速、高度、航向、垂直速度等等;副驾驶的ND主要显示导航参数，而机长的ND除了导航信息外，还会显示发动机的转子转速、排气温度、燃油流量等关键的发动机参数;而MFD作为多功能显示器，可用于飞行信息集成，发动机监控，飞行参数配置，气压和环境控制，也支持智能浏览，3D地形显示以及天气数据，飞行数据等信息的查找;位于机长和驾驶员之间的电子集中式飞机监视器（ElectronicCentralizedAircraftMonitor，ECAM）中，上侧的显示器ECAME/WD主要负责显示发动机参数以及襟翼位置;而下侧显示器ECAMSYS主要用于显示飞机各个系统的信息，可供飞行员循环浏览所有相关的飞机系统信息。

2综合显示系统显示器可靠性设计

2.1电磁屏蔽设计

屏蔽是将两个空间区域之间的金属隔离开来，以控制一个区域之间电场、磁场和电磁波的感应和辐射，特别是使用屏蔽罩将整个系统的元件、电路、组件、电缆或干扰源围起来，以便接收电路、设备或系统被屏蔽，以保护它们不受外部电磁场的影响。大多数多功能显示器都是由平板组成的组合结构，通常由支架、平板和紧固件组成。由于板与底板、板与板接头之间的接触不能达到理想的表面接触（实际上是点接触），必须存在为电磁干扰提供耦合途径的裂纹，由此产生的放射性干扰波形为直射形式。若要锁住此路径，您可以将连接点变更为楼梯结构，也就是说，您可以将抑郁管控面板上的多功能检视器安装点变更为楼梯，然后将多功能检视器包括在其中。此外，窗口结构是多功能显示器的一个独特特征，由其工作性质决定，但由于以下显而易见的原因，它对产品的电磁兼容性产生了非常不利的影响：窗口使多功能显示器的金属结构不连续，整体电导率为为了避免或减轻这种不利影响，我们在直升机中引进了一种材料，即电阻低的ITO导电薄膜、超过90%的可见光透射率（波长380～780nm）、低于l的可见光反射率，以及在d区安装ITO导电薄膜随着IT0导电薄膜的使用，总體产品保护性能有了显着提高。

2.2天线馈电网络设计

该天线采用的馈电网络为双层抛物线反射面，天线馈源为标准的BJ84波导，馈源中产生的柱面波在通过抛物线反射面反射后将转化为平面波激励波导缝隙天线阵。相较于传统的抛物线反射面，该双层设计避免了馈源对于反射波的遮挡，从而进一步地提升了天线的效率。馈源激励时，馈电网络上层及下层中的电场分布如图9所示，仿真结果证实了该设计可以在有限的空间中实现良好的柱面波到平面波的转换效果。反射面上层及下层中波导高度均为16mm，这些高度在设计时应小于二分之一波长，以保证平板波导中TEM波的单模传输。此外，由于馈源波导的TE10模式的幅度为锥削分布，该馈源产生的激励场在经过反射面反射后形成的平面波仍保持着中心向两侧逐渐衰减，该分布在激励天线辐射体时将有利于天线的副瓣抑制。

2.3改进型电探针结构设计

电探针为金属杆，顶端与螺旋天线相连，底端固定在底板上，波导的上下板呈梯形。研究表明，电眼皮耦合的大小与工作频率、两个板块之间的间距、眼皮半径、有效眼皮区域、眼皮阻抗等因素有关。更改这些因素以调整耦合程度更为复杂。由于平板波导因抽真空时内外压力的差异而变形，电触头和扇形片的组合还起到波导的支撑作用，设计环形切片的尖端以增加电触头接触区域。在消除反射方面，该结构使用添加支柱的方法来匹配反射，并通过优化山脊高度和山脊中心线与电眼皮中心线之间的距离来补偿反射。在这种结构中，探针耦合不需要产生波幅差共振，而且具有较高的工作带宽;控制风扇环形角度大小和调整耦合量的方法简单准确。

2.4单机多输入设备协同技术

在三维模拟训练系统中，为单台计算机连接多个显示设备和多套输入设备，如鼠标、键盘、触控屏等，SMCT为每个用户分配一个显示设备和一套输入设备，同时为每个用户生成一套虚拟的输入设备图标，如虚拟鼠标指针等，其示意图如图1所示。目前计算机中单个显卡可以支持多路视频输出，通过特定设备可以进一步增加显示设备的数量，能够满足平台级装备模拟训练系统的需求。对于由多套输入设备产生的计算机USB接口不足等问题，可采用USB-HUB等设备对计算机USB接口数量进行扩展。SMCT通过操作系统提供的RawInput[14]相关接口采集各用户输入设备的原始输入信息，然后对采集的输入数据进行解析与封装，形成可供三维模拟训练系统识别的数据结构，采用多线程异步处理算法处理封装后的数据结构，根据各用户的输入信息生成三维模拟训练系统中的操作事件，最后通过委托机制将该操作事件分发给系统中所需要驱动的三维模型，以完成相应的训练操作。SMCT框架可分为数据层和应用层，数据层通过操作系统提供的应用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API）采集各输入设备的输入数据、设备身份标识等信息，通过对输入设备数据的解析处理形成三维模拟训练系统中的输入事件供应用层使用。应用层根据采集的输入设备信息将各输入设备虚拟化，为每个用户生成相应的虚拟输入设备图标。通过用户标定模块将虚拟输入设备分配给各用户，通过使用数据层产生的输入事件对相应的三维模型进行操作。

结束语

本文采用Simulink/Stateflow实现对人机界面显示模块进行逻辑建模分析，在减少了大量编程工作的同时，能够通过模型的实时状态迁移直观清晰的得到系统的有效性，大大提高了系统设计过程中的验证效率。此外，采用马尔可夫过程实现对系统可靠性的分析，不仅模型简单，而且能够在系统逻辑架构确定之后便开展其可靠性分析工作，并能够以数学的形式量化系统的可靠性指标，快速准确。

参考文献

[1]朱涛，沈明辉，黄绍君，范蓉，周兴平.战术训练飞行模拟器综合显示系统仿真架构与实现[J].指挥控制与仿真，2020，42（02）：124-127.

[2]杨明.直升机电子飞行显示器的研制[D].哈尔滨工业大学，2017.

[3]田大成.综合显示系统重构策略及安全性测试方法研究[D].中国民航大学，2017.