载人航天器仪表系统总体设计方法探讨
摘要在分析载人航天器仪表系统技术特点的基础上,较系统地探讨了与之相适应的仪表系统总体设计方法。
按照任务划分,载人航天器仪表系统可分为两类,面向飞行过程,对应于飞行器,的仪表系统和面向在轨空间科学研究、实验和应用过程,对应于空间应用系统,的仪表系统。仪表系统介于航天员与过程之间,是为保障飞行过程可靠、安全和支持航天员高效完成在轨飞行任务而设置的系统。其主体是信息显示和支持人控操作的人机接口功能,即,将过程状态信息以易于理解的方式传递给航天员,将航天员的命令准确地传递给过程,除此之外,依任务的需要,仪表系统尚可包括直接对过程进行控制的控制功能以及协同进行在轨飞行任务管理的功能。
由于载人航天器仪表系统具有典型的人机系统、信息处理系统以及必须要与载人飞行器体系和航天员任务相适配的特点,其总体设计方法也有许多区别于其它系统的特殊性。是否能够系统地遵循一套与自身特点相适应的科学方法去实施仪表系统总体设计,将对以下目标的实现举足轻重。
,,为系统硬、软件产品的研制给出一个技术指标,需求定义明确且可操作性强的设计输入,
本文以我国载人航天一期工程实践经验为基础,对仪表系统总体设计方法进行了探讨和综合,期望能够对我国未来载人航天器仪表系统总体设计具有参考意义。
,,涉及仪表技术、计算机软硬件技术、数据通信技术、图形,语音,图像等多媒体处理技术、人机工程学、工程电子,技术,学等技术和学科知识在航天器设计的综合运用。
,,面向载人航天飞行器的其它多个系统。其显示、手控等设备与外部的数据接口和电气接,,繁多,要求系统内部以及与外部的匹配性和协调一致性很高。
,,面向航天员。与其它大多数系统相比,人机界面与接口设计具有突出的难点和特点。需要充分考虑人机工效要求以及航天飞行环境所带来的特定约束,如,过载、微重力以及航天员着航天服与
,,属于整个航天器的人机交互终端,其最终的功能配置密切关联于总体任务的最终定位和其它系统的配置。并行开展研制与设计工作,具有较大难度和较多的不确定性。
由上述特点,,,,,可知,仪表系统与外部具有相当紧密的耦合关系。这就决定了仪表系统的工程化设计是一项系统性很强的工作,从方案论证阶段开始就需要与总体以及其它系统的设计关联进行,从飞行器系统,空间应用系统总体的高度考虑制定基本规划,同时须将“服务航天员”作为重要的系统设计策动因素贯彻始终。
当飞行器,空间应用系统总的任务目标和概要过程,如,飞行程序要点,确定后,即可进入仪表系统总体设计的需求分析阶段。该阶段的任务是,面向全过程,从提供常规服务,保证飞行器,空间应用系统可靠、安全和高效运行等各个层面对航天员手控以及获取信息的需要进行“最大可能”需求分析——,简称,全任务需求分析,,以获得“最大可能”星空综合的显示与手控需求描述。描述须涉及的要点包括,
图,所示,是飞船交会对接,,,,,仪表系统全任务需求分析的一个示例。其中,将交会对接过程划分为远距离导引、近距离导引及逼近、对接和脱开,分离四个阶段,并尽可能全面地列出了可能需要航天员完成的任务、需仪表显示提供的最大可能支持以及需仪表手控部分提供的最大可能支持。
全任务需求分析方法,由于对仪表系统特点具有较强的针对性,考虑了功能取舍和与外部的相互作用尚存在着不稳定或难以准确把握的因素,因此,对于一个没有更多借鉴和经验可取的载人航天器仪表系统总体设计,特别是在总体任务目标确定后的方案初期,尚未确定人控系统与自控,程控系统任务分工以及基本工作模式的情况下,在以下几方面是非常有益的。
,,可保证今后对飞行器系统以及航天员系统潜在的新需求有较好的适应性,即,良好实现仪表系统的可扩展性,
,,获得了仪表系统进行规划配置的基本依据,继而可用于估算处理信息的最大可能时间开销、估计外部和内部输入、输出口的最大可能配置、估计所需硬件的性能等,
其需求分析结果不仅是规划仪表系统体系结构、人机接口的重要依据,同时也为进一步明确人控与自控的关系和划分相关接口提供了有价值的参考。
该阶段的“人机”特指“航天员”和“飞行器,空间应用系统”。其阶段工作目标是,由决策层与包括仪表系统在内的、与人控相关的各系统作出上一层系统的人机功能分配决策。从更大范围和更高层次确定赋予航天员的任务,明确未来各系统的人控与自控的任务划分、关联关系和相关接口等。这虽不完全属于仪表系统总体设计的范畴,却是对整个仪表系统总体设计过程具有重要影响的关键环节。
,,引入过程优化、总体优化和系统提高可靠性、安全性的目标。确定那些由于人的参与和作用而解决由自动系统所不易实现或不能完成的项目,或有助于提高整体可靠性和安全性的项目,
可能需要航天员完成的任务需仪表显示提供的,可能,支持需仪表手控部分提供的,可能,支持①监视飞船的轨道情况及,,,的轨道调整、①飞行圈数、变轨、进入交会雷达①交会雷达所需要的开,关机指令、信
控制情况,工作区等飞行事件的通报,号,噪声增益控制、天线的伺服等,②监视与目标飞行器的相对位置、距离等,②船下点轨迹、高度以及当前的地②,,,轨道控制,参数修正,调整,③在必要时介入对变轨和△,、,,以及组合面站情况,辅助手控指令和手动数据输入,
修正进行辅助调整,③交会轨迹、与目标飞行器的相对③,,,姿态控制辅助手控指令和手
表,,,,仪表系统全任务需求分析一近距离导引及逼近阶段,,,,,,,,,
可能需要航天员完成的任务需仪表显示提供的,可能,支持需仪表手控部分提供的,可能,支持①监视与目标飞行器的相对位置、距离①追踪飞行器与目标飞行器相对运动测①长距离敏感器,短距离敏感器的切
等,量数据,距离、相对位置、相对姿态换指令及光学成象敏感器等测量设②辅助建立追踪飞行器与目标飞行器和相对速度等,的实时综合显示,备的工作伺服,
的通信联系,②来自光学成象敏感器,直接的,图象 ②追踪飞行器与目标飞行器的通信设⑨适时进行长距离敏感器,短距离敏感 数据实时处理及显示, 备伺服,
器的切换,精确测量两个飞行器的相 ③,,,测量系统和控制系统设备工作状 ③依不同情况,既定的或某种失效出
对运动, 态综合显示,燃料情况指示等, 现后,进行的,,,自动,半自动,手④在必要时介入飞船的寻的控制和建 ④近距离导引及逼近阶段结束时为对接 动模式切换及相应的指令和数据预
⑤两飞行器间的相对速度控制以及机 ⑤该阶段各子过程所用时间通报, “当 ④手动模式下,协同手柄控制的辅助
动到对接轴上的绕飞运动控制, 前时”及“预测事件到来时”通报 指令输入,
可能需要航天员完成的任务 需仪表显示提供的,可能,支持 需仪表手控部分提供的,可能,支持,卜 … ,表, ,,,仪表系统全任务需求分析一脱开和分离
可能需要航天员完成的任务 需仪表显示提供的,可能,支持 需仪表手控部分提供的,可能,支持
系统综合分析是进入仪表系统方案设计前,对已有各种设计输入的整理和归纳的过程。主要包括,系统功能定义描述和显示信息和操作,手控项目分类等。除此之外,在该阶段的另一个重要工作是搜集和整理与航天员有关的资料, 以及与飞行过程相关的、影响人机工效的各种因素。
系统功能定义描述是一个完整给出系统任务和功能配置详细说明的工作。步骤和方法如下,
图,,图,分别为神舟飞船仪表系统的功能基线和功能关联飞行过程的描述示例。
飞行阶段 飞行程序 重要参数 分系统参 飞行事件预报, 时间信息显示 手控支持,关键事件, 显示 数显示 通报
飞行阶段 飞行程序 重要参数 分系统参 飞行事件预报, 时间信息显示 手控支持,关键事件, 显示 数显示 通报
显示信息和手控项目的固有属性是多方面的, 因设计阶段的不同,我们所关注的侧重面可能会有所不同。但应该注意到,按不同属性进行分类的方法正是一个适应仪表系统技术特点,须注重采用的一种有效的总体设计方法。它不仅可将一个数据接口和电气接口繁杂的系统归于有序,便于实现系统内部以及与外部的良好匹配性和协调一致性,更重要的是它对仪表系统外部接口和人机界面设计的规范化和系统化实现,进而获得一个包括配置、布局、人机工效和接口等多个优化设计期望的系统具有较好的促进作用。
在系统综合分析阶段进行的显示信息和操作,手控项目分类所侧重的属性主要包括,
,,所属系统——,,,,测控通信,环控,电源, ,供配电,回收,推进等,
,,支持何种任务一常规操作或监视,故障处置,自控一程控备份,干预自控与程控,专项任务等,
,,错误信息或误操作对完成任务或飞行安全所引发的后果,或可靠性安全性等级归属,——有致命后果,有严重影响,但可挽救,无影响等,
,,与过程关联的要素。如,在何时使用以及航天员所处状态、信息馈给或操作时效性要求等。
随着总体设计工作的深入,显示信息和操作,手控项目的分类将需要关联外部接口等方面的属性进一步细化。其外部接口包括,与其它系统的数据接口、 电气接口和与航天员的人机界面等。
与航天器系统通常的方案设计一样,仪表系统的总体方案设计也同样是一个以全面实现任务要求为目标, 由外,即,输入、输出和接口,及里,即,处理或功能实现方式,和由里及外的一个迭代、逼近和优化的过程,也同样要考虑解决航天器系统设计中的一些专门问题。所不同之处在于,载人航天器仪表系统的方案设计还必须同时考虑人机接口方面的特殊问题,在设计中引入人机系统设星空综合计的方法,达到人机接口、 内部处理以及与其它系统接口这三个层面的系统融合。除此之外,对未来可能新增需求的良好适应性也应予以充分关注。
仪表系统总体方案设计的主要内容包括,人机功能分配、系统体系结构确定以及仪表选配、仪表布局总体设计、仪表显示总体设计和仪表手控总体设计等。而在整个过程中,可靠性和安全性、人机工效以及可扩展性等则应该是作统筹考虑并予以良好解决的问题。
人机功能分配的目的是确定航天乘员组与仪表系统的交互关系和职责分工, 由此决定人机接口的基本构型。实施过程中,除遵循人机工程学的基本原理和方法外,针对载人航天器特点还须注重以下两点,
,,必须全面、充分地考虑航天员在不同飞行阶段和不同飞行模式下的状态所带来的附加约束。诸如,航天员是否处于被束缚状态,航天员是否着航天服,航天服是否被充气,有无需要两名以上航天员协同操作的项目等,
,,航天飞行器是一个复杂系统,且航天员执行任务的环境条件并不优越。因此,尽可能降低人的工作负荷,支持航天员高效而准确地获取信息和实施操作,应作为载人航天器仪表系统人机功能分配的基本原则或思路。优化目标是, 由系统本身尽可能多地“封装”那些会引发航天员多余作业的过程要素, 以求提供友好而简捷的交互界面。
在仪表系统层面完成人机功能分配将支持产生以下结果,这些结果是各相关系统深入设计的输入。包括,
,,系统内部,关于人机界面的,处理要求。用于系统内部功能的再分配。值得注意的是,功能再分配的过程,可能会要求整个飞行器,空间应用系统的总体方案在关于仪表系统与其它系统的功能划分进行修正和细化。因此,这就要求仪表系统层面的人机功能分配应尽早实施为好。
载人航天器仪表系统体系结构确定以及仪表选配,基本可以采用通用的仪表系统构成设计方法,或借鉴工业与航空界一些成熟的经验,来完成专业技术层面的方案实现。包括,系统内部互联通信的拓扑规划、实现信息显示功能的技术方案以及实现手控功能的技术方案等。 由于计算机软硬件技术、数据通信技术等数字化技术的发展和普及以及各种新型显示部件的普遍应用,现代仪表系统的主流设计基本是以综合数字仪表显示系统为主,辅助配备分立显示仪表的方案。
在载人航天器仪表系统体系结构确定以及仪表选配阶段,欲达到系统层面的完整解决方案,还须注重以下几个要点,
,,在保证实现已确定功能和任务的同时,须对在全任务需求分析基础上产生的“系统性能要求”分析结果,如,满足实时性要求的最大通信数据吞吐量、数据,信号处理和显示能力等,和最大可能的外部和内部输入、输出口的配置等给予充分考虑,
,,仪表系统组成涉及较多的新技术与新产品在航天器中的应用问题,须对其适应航天器环境的情况、加固可能性等进行专题研究与验证,
,,系统层面的可靠性应从互联拓扑结构及通信方式、仪表的组配以及关键设备和通道的冗余配备等几个方面加以保证,
,,应考虑在仪表选配中合理采用多种信息馈给方式,包括,声、光、文字和图形等,的显示仪表组配方案, 以求获得较好的人机工效, 同时有助于信息馈给可靠性和安全性的提高,
,,力求实现与外部各系统数据接口、信号接口和指令接口的规范化、标准化,为达到良好的可扩展性创造条件。应当指出,仪表系统以及其它系统单方面的努力均不易获得接口规范化和标准化最佳效果, 由上一层系统作出统筹规划和要求才是更关键的,
仪表系统的主体是信息显示和支持人控操作的人机接口功能。除完成与其它系统存有共性的设计内容外, 尚要完成包括仪表布局、显示设计和手控设计在内的人机界面专题设计, 以求在该层面保证航天员安全、可靠和高效地获得显示信息及完成操作,控制任务。
仪表布局总体设计主要包括, ,主、副,仪表板的配置以及各仪表板上显示仪表和手控仪表的排布,属典型的人机界面设计问题。是在航天飞行器设计中综合运用人机工程学方法和,,业设计学科思想的实践。其设计期望是达到仪表板的功能特征、空间布局和视觉组织效果的统一协调。
载人航天器仪表布局总体设计,可以单一或综合采用按功能关系布局、按使用频率布局以及按重要程度布局等,般原则进行,但必须系统全面地考虑航天员职责分工、飞行器舱内总体布局以及不同飞行任务程序,飞行模式,涉及航天员状态,等因素所带来的特殊问题。
显示总体设计的核心是一个信息输出的系统规划问题,是在外部约束己确定,包括,显示仪表配置、信息馈给时效要求、可靠性要求等,的条件下,解决如何使航天员从众多烦杂信息中准确、高效获得所需显示信息的设计过程。它使用系统综合分析阶段的显示信息分类成果并最终产生一个用于各设备软硬件开发的可操作性较高的设计输出。
针对载人航天飞行器的“过程”特点,采用“时分” ,即,关联飞行程序和模式划分时间段,结合显示信息分层,按重要性和任务关联等原则,的方法是一个优化显示总体设计的有效途径。 图,所示是在神舟飞船数字仪表显示总体设计中运用这种方法的概念描述。其系统设计思想是, “显示信息层次分明、密切关联于飞行过程、合理的数字仪表组配以及这三者有机融合” 。 以求航天员通过有限的显示界面资源,全面、及时和可靠地获得相关的重要信息。
手控总体设计的目标是,使用系统综合分析阶段操作厚控分类成果,进行手控项目的合理分区、防止误操作的界面安全防护设计以及辅助操作的人机对话显示设计等,并最终产生一个用于各设备软硬件开发的可操作性较高的设计输出。要点包括,
,,手控项目的合理分区,是仪表布局总体设计关于操作,控制人机界面的进一步细化,实施过程中除运用,, ,, ,, ,节中的原则和方法外,还须注重通过必要的迭代过程,达到与仪表总体布局相互间的协调统一,
,,在操作,手控界面尺寸等要素的规划中,须考虑航天人机工程学对开关按键尺寸、形状等特殊
,,须注重各类手控项目分区界面设计,包括,作业序列和辅助显示支持等,的规一化,
,,除开关、按键层面的防误操作安全防护设计外,还须系统考虑对任务以及系统内部功能设计等层面所带来的安全保护设置需求的实现,
,,采用组合键盘,开关阵列辅助显示器的手控装置设计,是解决在有限界面资源条件下扩充手控项目 ,特别包括支持参数修正、调整为目的操作,配备的有效途径。但需要同时考虑配备可靠、有效的安全保护装置。而与其它系统之间指令接口的规一化和标准化对最终的优化实现具有重要作用。,, ,, ,, ,手控与显示融合设计
手控与显示的融合设计, 即是在仪表系统、航天员及其它系统,或过程,之间构成完整的人控闭环的设计。实施要点包括,
,,除提供激励航天员进行操作和控制的初始信息外,还须完整提供实施人控操作过程中所需的各种相关支持信息,也包括仪表界面的辅助操作信息,以及控制结果信息,
,,对于支持人工处置复杂故障的显示设计,应考虑配置反映各相关系统之间耦合关系的参数显
,,对于诸如手动运动控制等要求有良好动态特性、稳定性以及控制精度的人控闭环系统,仪表系统信息反馈显示等环节的特性是需要纳入整个闭环系统研究的课题之一。 由于在初期关于航天员环节的特性数据尚不能完全或准确地掌握, 因此,须在相应的信息传输和仪表显示处理速度等方面作周全考虑,预先留有裕量。 同理,对于相关的手控装置,如,人控姿态和平移手柄等,的环节特性也应纳入整个闭环系统研究。
由前述,通过手控与显示的融合设计,将可能会对外部送仪表系统的信息提出补充要求,而使得包括仪表系统在内的相关系统的设计进入一个迭代过程。
在我国航天器研制领域,仪表系统是一个新的成员,它的研制是一项开拓性, 【作。本文所阐述的内容,来自于对我国一期载人航天器仪表系统研制工作经验和教训的总结,其认识、设计方法和实施要点等具有较强的工程应用和成果背景支撑,许多已被再次的实践证明是合理、可行的,并适应于航天器仪表系统特点。
神舟飞船仪表系统虽在功能配置、技术运用等方面实现了跨越,但与国外现役载人航天器相比,在功能配置以及支持航天员完成在轨飞行任务等方面尚存在差距。有待研制面向人控交会对接过程和面向空间科学研究、实验和应用过程的仪表系统。仪表系统总体设计方法所面临的研究课题包括,
李卫男, ,,,,年,月出生, ,,,,年参加工作, ,,,,年获自动控制专业工学学士学位, ,,,,年获中国空间技术研究院真空设备自动控制专业理学硕士学位,高级工程师。