Системы отображения полетной информации: информационно-управляющее поле кабины летательных аппаратов (2005)

Майор Д. Боровицкий

В статье рассматриваются основные направления совершенствования информационно-управляющего поля и концепций построения кабин тактических самолетов.

Анализ перспектив развития авиации в зарубежных странах показывает, что одновременно с сокращением количества типов самолетов будет увеличиваться круг решаемых ими боевых задач, которые необходимо выполнять в любое время суток в простых и сложных метеоусловиях. Прежде всего это касается перспективных многоцелевых истребителей, что подразумевает установку на эти самолеты разнообразного оборудования, позволяющего совершать полеты в различных условиях, получать и обрабатывать информацию о внешней обстановке, состоянии бортовых систем и осуществлять воздействие по воздушным и наземным целям с помощью бортового оружия (ракет, пушек и бомб). При этом один человек (летчик), принимая решения об оптимальной траектории выхода к цели и применении оружия, должен управлять летательным аппаратом (ЛА) и использовать пилотажные, навигационные, связные, радиолокационные и оптоэлектронные системы, а также средства государственного опознавания и радиоэлектронной борьбы. Кроме того, летчик должен постоянно контролировать выполнение боевой задачи на основе информации, полученной от бортовых разведывательно-прицельных средств и внешних источников. Выполнить такой объем функций в процессе решения различных боевых задач невозможно без объединения перечисленных выше средств в комплексные интегрированные системы, а также без обеспечения их взаимодействия с летчиком (экипажем). В процессе взаимодействия летчика с комплексом бортового оборудования самолетов различных поколений наблюдаются изменения, что обусловливает изменения компоновки, структуры и характеристик технического облика информационно-управляющего поля (ПУП) кабин этих машин.

По мере увеличения состава оборудования и количества решаемых функциональных задач необходимо увеличивать степень автоматизации работы оборудования для уменьшения нагрузки на летчика. Таким образом, усложнение системы авиационного радиоэлектронного оборудования должно сопровождаться упрощением работы летчика.

Рис. 1. Компоновка приборных панелей кабин самолетов различных поколений

 За последние 20-30 лет, как отмечает ряд зарубежных специалистов, был сделан огромный шаг вперед в разработке и применении новых технологий при конструировании кабин (рис. 1). Так, оптические стрелковые прицелы были заменены индикатором на лобовом стекле (ИЛС), при этом угол поля зрения (УПЗ) увеличился с 10 до 30°. Помимо отображения символьной информации ИЛС позволяют передавать изображения, например, от оптоэлектронных средств. Первые индикаторы на ЭЛТ с низким уровнем яркости и контрастности, обеспечивавшие отображение информации только от отдельных систем, были заменены многофункциональными дисплеями (МФД) с ЭЛТ или цветными многофункциональными жидкокристаллическими плоско панельными дисплеями (ППД), имеющими более высокий уровень яркости и большую контрастность. Часть максимально задействуемых органов управления, отвечающих за выбор режимов работы бортового оборудования (аппаратуры связи, навигации, опознавания и другой), была убрана с боковых панелей и вынесена на приборную панель. Карта местности стала отображаться на МФД, а не на отдельном индикаторе, как ранее. Кроме того, для улучшения оперативности управления бортовыми системами во время маневрирования наиболее часто используемые органы управления были размещены на ручке управления самолетом (РУС) или ручке управления двигателем (РУД) в соответствии с концепцией HOTAS (Hands On Throttle And Stick).

На большинстве современных самолетов поколения 4, 4 +, а также отчасти и 5, применяются аналогичные схемы компоновки кабин: индикатор на лобовом стекле; два, три и более многофункциональных дисплея; панель ввода информации; органы управления, расположенные на РУД или РУС. В дополнение к этому в настоящее время активно ведутся работы, направленные на создание, улучшение характеристик и интеграцию в комплекс бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) нашлемных систем целеуказания и отображения информации (НСЦОИ) и систем управления голосом.

Кабина современного тактического самолета, так называемая "glass cockpit", обладает значительными возможностями отображения различных данных от бортовых обзорно-прицельных и других систем, а также внешних источников информации, получаемой через бортовую подсистему связи и обмена данными. ИУП кабины позволяет получать необходимую информацию на всех этапах полета - от взлета и сбора группы до полета по маршруту, целераспределения, атаки цели, противодействия и посадки. Однако дальнейшее повышение многофункциональности и характеристик бортового оборудования, увеличение объемов информации, поступающей на самолет (который в настоящее время можно уже рассматривать как элемент распределенной информационно-ударной системы), а также внешние угрозы, которые могут возникнуть на ТВД, предъявляют более высокие требования к отображению информации и компоновке кабин боевых самолетов.

К разрабатываемым перспективным кабинам с интегрированным управлением и поддержкой принятия решения для обеспечения действий многофункционального ударного самолета предъявляется ряд требований. При этом необходимо также учитывать угрозы, которые могут возникнуть на ТВД в будущем. Согласно этим требованиям перспективные кабины должны:
- Обеспечить защиту летчика (экипажа) от различных угроз (лазерной, химической, биологической, радиационной), возникающих на современных и перспективных ТВД. Лазерное оружие может послужить причиной создания "закрытой" кабины, в которой окружающая обстановка будет воссоздаваться системой синтезирования изображения и обеспечит отображение реальной обстановки закабинного пространства в виртуальной форме.
- Обеспечить летчику (экипажу) ситуационную осведомленность на всех этапах полета, на любом ТВД и при любой интенсивности боевых действий, а также возможность применения самолета в любое время суток в простых и сложных метеоусловиях за счет информации, получаемой от всех возможных источников: бортовых датчиков, внешних источников, включая также головки самонаведеня ракет (ГСН) управляемого высокоточного оружия.
- Оказать помощь в планировании выполнения боевой задачи и ее оперативного изменения в реальном масштабе времени, что предусматривает наличие аппаратуры обмена данными, бортовой базы данных и бортовых экспертных систем.
- Обеспечить отображение информации различных форматов и любого объема (включая, например, фотографию района цели, полученную с разведывательного космического аппарата) и предусмотреть несколько способов управления БРЭО.
- Иметь более широкий диапазон регулировок (кресла, педалей рулей направления, шлема) и более низкие прикладываемые силы (тормоза, РУС).
- Обеспечить выполнение маловысотного полета с обходом препятствий, что также предусматривает наличие активных бортовых систем с низкой вероятностью перехвата сигнала, информационных баз данных (с местностью полетов), системы синтезирования трехмерных изображений.

Помимо этого, для обеспечения минимальной заметности необходимо предусмотреть ввод в бортовую вычислительную (экспертную) систему сигнатур самолета в интересах повышения безопасности полета и эффективности решения боевых задач.

Как отмечают зарубежные военные эксперты, это неполный перечень требований, предъявляемых к перспективной кабине.

Разработчики кабин боевых самолетов еще никогда не располагали таким огромным количеством новых технологий отображения информации, из которых необходимо выбрать наиболее приемлемые и перспективные. Далее в статье рассматривается облик перспективной кабины, которая будет создаваться в течение 25-30 лет. Из-за отсутствия терминов они условно названы "кабина 2000", "кабина 2010", "кабина 2025" в соответствии с годом, когда, вероятнее всего, необходимые для реализации концепции технологии будут готовы для широкого применения (то есть приблизительно за пять-семь лет до начала их серийного производства).

Кабина 2000. В научно-исследовательской программе, проводимой исследовательской лабораторией ВВС США в 1990 году, были рассмотрены угрозы, ожидающие боевых летчиков на перспективных ТВД, а также требования к перспективным кабинам боевых самолетов и системам синтезирования изображения. Вопросы, поднятые при рассмотрении программы, названной PCCADS (Panoramic Cockpit Control and Display System), направлены на решение задачи обеспечения летчика дисплеями с большой полезной площадью экрана и НСЦОИ, обеспечивающей наведение управляемого оружия (УО) вне линии визирования цели бортовыми датчиками. Было рассмотрено два проекта реализации данной концепции: один на ближнюю перспективу, другой на дальнюю (кабина 2010). Все необходимые технологии для построения кабины 2000 уже достаточно отработаны, и данная концепция уже начала реализовываться. Например, она частично реализована на самолетах F-15E, F-16C/D Block 50/52/60, F/A-22A, "Тайфун", "Рафаль".

Кабина PCCADS 2000, в которой реализованы технологии 1995 года, была разработана к 2000-му. В ней имеются основной прямоугольный цветной дисплей отображения тактической обстановки (25 х 25 см) и два прямоугольных цветных многофункциональных дисплея (15х15 см), расположеные по обе стороны от основного. Данная кабина была реализована и испытана на самолете F-15E. Общая площадь дисплеев на приборной панели составила 1110 см². По результатам испытаний отмечалось увеличение эффективности действий экипажа самолета по поражению целей на 46% При разработке кабины самолета F/A-22 также реализована концепция PCCADS 2000. ПУП кабины включает шесть многофункциональных плоско панельных дисплеев (AMLCD). Общая площадь ПУП 1 290 см² Кроме того, предусматривается использование НСЦОИ, создаваемой по программе JHMCS (Joint Helmet-Mounted Cuing System). Однако зарубежные специалисты отмечают, что наличие самого большого (20,3 х 20,3 см) дисплея в кабине самолета F/A-22, в настоящее время недостаточно. Минимально необходимым для передачи изображений от перспективных датчиков без искажения и без обрезки является формат 40 х 40 см, в связи с чем в дальнейшем планируется увеличить общую площадь дисплеев ИУП кабины до 1 300-1 875 см².

В кабине 2000 имеется, как правило, монокулярная растровая нашлемная система целеуказания и отображения информации при атаке воздушных и наземных целей в светлое время суток с УПЗ 15-30°. Бинокулярная НСЦОИ, которая в дальнейшем заменит ее, может использоваться и ночью, так как будет включать усилители яркости изображения (оптоэлектронные преобразователи), при этом УПЗ такой системы составит 30-60°. Технологии производства монокулярной НСЦОИ хорошо отработаны, что сводит к минимуму риск ее применения на самолетах. Риск использования на многоцелевых истребителях бинокулярной НСЦОИ возрастает из-за большей громоздкости шлема, смещения вперед центра тяжести головы летчика и других причин, связанных с обеспечением безопасности полета. Значимость НСЦОИ не может быть преувеличена, так как она является "ключом" к решению задачи повышения ситуационной осведомленности летчика.

Рис. 2. Представление информации в панорамной кабине

Концепция кабины 2000 подразумевает панорамное отображение общей тактической либо необходимой информации от различных датчиков в окнах (рис. 2). На приборной панели средних размеров (46х61 см) можно разместить два МФД (25,4х25,4 см). При этом остается достаточно места для низкопрофильного ИЛС, дополненного НСЦОИ с усредненным УПЗ (приблизительно 20-30°).

Кабина 2000 также предусматривает наличие системы голосового управления. В настоящее время в ведущих зарубежных странах ведутся активные работы в этой области. Так, в кабине самолета EF2000 будет использоваться речевая система управления, способная распознавать около 100 слов, а на самолете "Рафаль" - до 150. Эти слова будут отождествлять дискретные команды, например выпуск шасси и закрылок, переключение каналов радиостанций, выбор индикатора, выбор режима работы бортовой РЛС ит. д., при этом предусмотрено дублирование команды вручную. В 1997 году НАСА провело испытания прототипа такой системы, рассчитанной на 50-60 слов. Как отмечают специалисты, она позволила распознать 97-98% слов при перегрузках до 4 g при обычных шумах в кабине. При больших значениях перегрузки, когда голос летчика подвержен изменению, система может быть отключена. В США в рамках создания самолета F-35 рассматривается возможность интеграции нашлемной системы целеуказания и отображения информации с системой голосового управления.

Кабина 2000 имеет следующие преимущества по сравнению с существующими образцами:
- в несколько раз увеличена общая площадь дисплеев - до 1 300 см² (в современных кабинах она 350-700 см²);
- расположение таких дисплеев рядом позволит в случае необходимости отобразить тактическую информацию сразу на обоих (обеспечивая лучшее восприятие тактической обстановки);
- наличие низкопрофильного ИЛС и НСЦОИ с УПЗ 20-30°;
- с помощью органов управления, расположенных на многофункциональных ППД, можно устанавливать необходимую яркость, контрастность, цветность и другие режимы работы, приемлемые только для конкретного летчика, которые должны снизить степень его дезориентации в пространстве;
- голосовое управление и применение тактильных многофункциональных ППД улучшат интерфейс системы.

Кабина 2000 позволит значительно улучшить технические и эргономические характеристики по сравнению с теми, которые имеют самолеты, особенно одноместные многоцелевые истребители.

Кабина 2010. Создание многофункционального рабочего места летчика, простого в использовании и управлении бортовыми системами и оружием, - цель данной концепции. Дальнейшее развитие ПУП кабины основано на концепции кабина 2000 и предусматривает использование многофункционального ППД с экраном большой площади в интересах улучшения ситуационной осведомленности, что окажет летчику значительную информационную поддержку. Развитие технологий создания НСЦОИ обеспечит увеличение УПЗ, а также, вероятно, более разнообразную цветовую гамму и большую глубину цвета. Развитие систем голосового управление и технологий тактильных дисплеев призвано облегчить взаимодействие летчика с БРЭО.

Летчики в перспективе вынуждены будут иметь дело с все более возросшими информационными потоками тактической и иной информации в кабине истребителя, чтобы иметь представление об окружающей обстановке и добиться значительного превосходства над противником. Зарубежные специалисты полагают, что лучшим способом для достижения поставленной цели является применение одного большого дисплея, который будет отображать "большую картинку" с тактической обстановкой или другие форматы изображений в зависимости от этапа полета (например, трехмерное изображение местности при выполнении маловысотного полета), с отображением информации и данных от бортовых прицельных систем и средств РЭБ в отдельных окнах, "всплывающих" по команде летчика. Для ведения ближнего воздушного боя и атаки целей, расположенных на визуальной дальности, будет использоваться также НСЦОИ. Дальнейшее развитие прицельного оборудования, оружия и бортовых экспертных систем позволит уменьшить информационную нагрузку на летчика (экипаж) при выполнении задач завоевания превосходства в воздухе и ударных задач во время одного самолетовылета или при перенацеливании на выполнение другой задачи.

В научно-исследовательских работах рассматриваемая концепция получила название суперпанорамной кабины - "Биг Пикчер" (рис. 3).

Рис. 3. Потоки команд управления, предусмотренные при реализации концепции кабина 2010

Ожидается, что разработанные к 2010 году технологии позволят создать плоский дисплей с экраном 40х76 см (2000 см²), предназначенный для использования на приборной панели и имеющий требуемые уровни яркости, контрастности, цветности, а также приемлемые массогабаритные и стоимостные характеристики. Учебная программа ВВС США, названная "Дисплеи и органы управления панорамной кабины", показала ряд преимуществ в отображении информации на дисплее с экраном 2 000 см² по сравнению с имеющим площадь экрана 650 см². Первый подойдет также для большинства приборных панелей, при этом еще остается место для дополнительных (малоразмерных) вспомогательных дисплеев, а также низкопрофильного ИЛС. Дисплеи, изготовленные по технологии AMLCD, в настоящее время остаются более привлекательными по сравнению с созданными по другим технологиям: плазменным, электролюминесцентным и прочим, так как последние не обладают приемлемым уровнем необходимых характеристик. Технологии НСЦОИ достаточно отработаны и будут широко применятся после 2010 года, и, возможно, позволят убрать из кабины ИЛС. Информация от внешних источников (в том числе и от ГСН УО), многофункциональные ППД с экраном большой площади, бинокулярная НСЦОИ с УПЗ 30-50° и бортовая экспертная система должны повысить ситуационную осведомленность на всех этапах выполнения боевой задачи.

Благодаря наличию полной информационной картины будут обеспечены более качественные обработка, слияние и отображение данных от различных источников. Маршрут полета, зоны расположения средств ПВО противника, картографические особенности и ориентиры должны быть объединены для того, чтобы представить летчику в более наглядном виде задачу, которую ему предстоит выполнить.

Кроме этого, летчик сможет легко выбирать отображаемые форматы изображения, обеспечивающие самолетовождение, маловысотный полет с огибанием рельефа местности и обходом препятствий, решение задач завоевания превосходства в воздухе и уничтожения наземных целей. Информация, поступающая от прицельных датчиков и ГСН управляемого оружия, будет отображаться в окнах по требованию летчика или автоматически при возникновении опасности. Тоже автоматически будет отображаться информация об отказах и аварийных ситуациях на борту.

Программное обеспечение, разработанное для бортовых экспертных систем, позволит повысить эффективность выполнения боевой задачи, а также изменять и пересчитывать полетное задание непосредственно в полете, возможно, даже напрямую по команде с наземного или воздушного КП.

Информация от внешних источников, полученная до выхода самолета в район цели, позволит повысить ситуационную осведомленность летчика и упростит процесс принятия решения о способе наведения и направлении захода на цель при ее атаке.

Перспективные НИОКР в этой области могут быть связаны с созданим "закрытых" суперпанорамных кабин.

Кабина 2025. Быстро развивающиеся и становящиеся более доступными технологии создания мощного мобильного лазерного оружия (ЛО) приведут к возникновению новой опасности для летчиков пилотируемых самолетов. ЛО наносит удар по наиболее уязвимому месту человеческого тела - глазу. Может быть сформирован лазерный луч необходимого диаметра для достижения требуемой эффективности; кроме того, он распространяется со скоростью света, то есть достигает цели практически мгновенно после применения. Размещение ЛО на борту летательного аппарата создает реальную угрозу ослепления летчика. Наиболее важным фактором является способность лазера работать в широком диапазоне длин волн, что исключает возможность установки спектрального фильтра на защитный щиток шлема пилота. Использование его для защиты от лазерного излучения видимого диапазона длин волн препятствует обзору пространства на некоторых углах. Помимо этого, защитные фильтры меняют свои характеристики при воздействии светового излучения ядерного взрыва. Данный подход требует наименьших затрат. Кроме того, летчик может получать необходимую пилотажную и прицельную информацию через НСЦОИ, которая будет отображать ее на все том же защитном стекле шлема летчика. Однако в данном случае информационные дисплеи и закабинное пространство могут быть недоступны для просмотра летчиком.

Наличие фонаря кабины при нанесении на него светоотражающей или поглощающей краски позволяет частично обеспечить защиту от лазерного излучения. Другим вариантом является установка (автоматически или вручную) летчиком защитной пленки ("шторки") непосредственно во время угрозы. В последнем случае он осуществляет полет по приборам и выполняет атаку цели при отсутствии визуальной видимости, так же как на любом современном многоцелевом истребителе.

Существует еще два способа защиты от лазерного излучения: дистанционное управление ЛА или дополнительная защита летчика, то есть создание защищенной, "закрытой" кабины. Если используется дистанционно пилотируемый летательный аппарат, то необходимо наличие кабины, которая расположена на земле и функционально идентична кабине ЛА. Изображение закабинного пространства для создания большей реальности полета для наземного экипажа в этом случае должно быть синтезировано.

Кабина, размещаемая на земле, не имеет ограничений по размерам, массе и потребляемой мощности. Кроме того, летчик (экипаж) не подвержен перегрузке, что снимает многие проблемы обеспечения его жизнедеятельности. Использование таких "наземных кабин" может быть более эффективно за счет размещения в ней двух и более членов экипажа, что позволяет значительно снизить рабочую нагрузку. Однако проблемой такого подхода является необходимость наличия информационных линий обмена данными между летчиками и дистанционно пилотируемыми ЛА. Такая линия должна обеспечивать передачу большого количества информации в реальном масштабе времени для передачи команд управления ЛА и получения параметров полета и изображения пролетаемой местности и цели от бортовых датчиков. Несмотря на то что технологии создания линий обмена данными достаточно хорошо отработаны, существуют определенные сложности в обеспечении их бесперебойной работы в сложной помеховой обстановке и при управлении одновременно большим количеством ЛА, например при массированном авиационном ударе. Альтернативное решение задачи защиты летчика от лазерного оружия во время полета - дополнительная защита кабины.

Рис. 4. Концепция создания "закрытой" суперпанорамной кабины

Концепция создания "закрытой" кабины получила название суперпанорамной (рис. 4). Она предусматривает наличие центрального дисплея с большей, чем в Big Picture, площадью экрана, окруженного слева и справа аналогичными, выполненными конформно дисплеями. Концепцией предполагается создание поля зрения системы отображения информации свыше 100°. Такое поле зрения является важной величиной, учитывающей физиологические особенности человеческого зрения и способствующей комфортному восприятию отображаемой информации. ИЛС дополнит МФД, расположенные на приборной панели, а его УПЗ планируется также довести до 100°. При необходимости ИЛС позволит осуществлять полеты ночью, в сложных метеорологических условиях и при различных угрозах экипажу, возникающих на ТВД. В дополнение к этому кабину, разработанную согласно данной концепции, планируется оборудовать фонарем, закрывающимся специальным защитным слоем, который в дальнейшем будет заменен "гибкими" дисплеями, отображающими информацию непосредственно на фонаре (концепция CDS - Canopy Display System).

Развертывание в кабине самолета ИЛС, панорамной системы ППД на приборной панели и системы индикации на фонаре CDS может быть выполнено автоматически при возникновении угрозы лазерного облучения или по команде летчика. Первоначально для отработки этой концепции и выработки необходимых требований система индикации (в частности, ИЛС, панорамные МФД, CDS) может быть реализована с использованием существующих технологий. В дальнейшем дисплеи, выполненные по существующим технологиям, будут заменены "гибкими" устройствами отображения информации, разрабатываемыми управлением перспективных исследований МО США (DARPA) по программе Flexible Display.

Рис. 5. Гипотетическая кабина

В более отдаленной перспективе (после кабины 2025) может быть создана кабина без фонаря. Такая кабина является наиболее дорогостоящей, однако и столь же привлекательной (рис. 5). Ключевым ее элементом станет полусфера (или полная сфера), на которой будет отображаться трехмерный "виртуальный мир", формируемый системой синтезирования изображения на основе информации от базы данных (хранящей информацию о местности полета), обзорно-прицельных систем и внешних источников (через аппаратуру связи и обмена данными). Такая кабина должна обеспечить формирование "виртуального мира" в реальном масштабе времени. Гипотетическая НСЦОИ с широким УПЗ (до 100°) позволит выводить всю необходимую пилотажную и прицельную информацию на защитное стекло шлема летчика. Кроме того, на дисплеях, расположенных (виртуально формируемых) на приборной панели, будет отображаться тактическая обстановка, обеспечивая летчику глобальную ситуационную осведомленность. Данная концепция найдет широкое применение сначала в тренажерах и наземных станциях управления БЛА/ББЛА, а после достижения необходимых массогабаритных и энергетических характеристик будет использоваться и на борту ЛА.

Использование системы синтезирования изображения может компенсировать отсутствие обзора закабинного пространства посредством формирования искусственного "реального" изображения закабинной обстановки.

Для гипотетических кабин обязательным является наличие полной визуально-звуковой обстановки (Complete Audio-Video Environments). Руководствуясь собственными программами, специалисты ВВС изучают возможности использования и эффективность применения 3D дисплеев предупреждения об угрозе также на основе технологий голографического видео.

Революционные преобразования в области разработки перспективных кабин находятся в стадии рассмотрения. Многие технологии, связанные с созданием перспективных кабин, находятся на стадии разработки и концептуальных исследований, позволят летчику справиться с потоком информации от бортовых систем и внешних источников, а также обрабатывать их. Дальнейшее развитие систем и технологий, таких как НСЦОИ, больших ППД, голосового управления, цветной трехмерной графики, алгоритмов обработки и объединения информации, систем синтезирования принятия решения (электронный помощник летчика), дадут возможность уменьшить информационную нагрузку на летчика (экипаж) и повысить уровень его ситуационной осведомленности.

Зарубежное военное обозрение 2005 №2, С. 42-48