航天员交互式电子技术手册架构与应用模式研究

范永亮 仲伟巍 吴大蔚 陈军伟



航天员交互式电子技术手册架构与应用模式研究

范永亮 仲伟巍 吴大蔚 陈军伟

（中国航天员科研训练中心）

针对长期载人航天飞行任务，基于航天员用交互式电子技术手册的需求和特点，分析飞行计划的数据类型、展示形式和信息关联等方面的特殊性，提出航天员交互式电子技术手册应具备的基本功能。据此研究适用于载人航天任务的交互式电子技术手册平台架构，并设计其应用模式和信息流。

航天员；交互式电子手册；技术架构

0 引言

交互式电子技术手册（interactive electronic technicalmanual，IETM，下文简称电子手册）是以数字形式存储，采用文字、图形、表格、音频和视频等形式，以人机交互方式提供装备基本原理、操作使用和维修等内容的技术出版物[1]。

IETM的发展和应用最早起源于20世纪70年代的美军，1989年欧洲航空工业协会（AECMA）颁布S1000D第一版，后又融合了美国工业界的需求，现已经发展成为规范航空、航海、陆地装备技术出版物的最大技术标准。国外IETM的快速发展引起了我国军方和装备研制单位的高度重视，2009年推出了GB/T 24463和GJB6600系列标准。目前国内一些航空、船舶和电子等研究院所已成功研制出与装备配套的IETM并投入应用[2-4]。

在我国载人航天任务中，也配置了电子手册作为纸质手册的备份。神舟十号任务之前，限于当时技术条件，电子手册使用模式类似阅读电子文档，可实现目录查找和关键字搜索，内容主要是文字和图片，展示较为简单。神舟十一号任务时，试验性地研制了电子手册软件，提高人机交互能力，增加操作视频演示，实现文字、图片、音频和视频记录功能。相比之前，使用便捷性、交互方式等方面有了进步，但在标准满足性、功能完备性等方面还有待完善，无法适应后续空间站任务。

1 航天员电子手册需求及特点

1.1 航天员电子手册需求

空间站任务中航天员面临的工作项目操作和处置情况更加繁多复杂[5]，主要体现在：

1）舱内外设备数量明显增加，航天员需要掌握大量设备的操作方法；

2）在轨实验项目更新换代，航天员需要实施更多、更复杂的实验操作任务；

3）空间站长期在轨运行，需要航天员实施多层次的维护和维修操作；

4）在应急工况下，航天员需要快速、准确地开展故障处置。

这些在轨操作需要由飞行手册为航天员提供指导，但信息量很大时，使用纸版飞行手册必然效率较低，而IETM技术是解决该问题的重要手段。因此，航天员电子手册应以IETM所遵循的技术标准为依据，提供交互式访问，以文字、图片、多媒体等多种形式呈现，快捷查询和浏览，内容生动简洁且易于理解，为航天员在轨操作提供直观便捷的指导。

1.2 航天员飞行手册种类

为满足在轨工作需要，通常要为航天员配备以下4类飞行手册[6]：

1）计划类手册（飞行计划），包含正常飞行各飞行段航天员工作安排；

2）专项任务程序类手册，主要包括出舱活动、交会对接等程序；

3）应急处置类手册，主要明确飞行器失压、失火等应急事件处置程序和紧急撤离、应急避险等程序；

4）操作指南类（或用户手册），用于明确飞行产品、科学与应用试验、航天员健康保障等项目的操作说明和注意事项以及一般性单机故障维修方法等。

1.3 航天员电子手册特点

根据IETM研制规范，不同种类手册内容可按需选用标准中已规定的数据结构进行定义和描述[2,7]，如专项任务程序类手册主要采用程序类结构，实现步进导引方式；应急处置类手册主要采用故障类结构，指导航天员进行故障逻辑诊断和处置；操作指南类手册主要采用描述类、程序类结构，必要时辅以图解零件、接线类结构进行描述。

而计划类手册比较特殊，目前传统的IETM工具和规范不具备相关功能和数据结构，需要为此开发专用软件模块、定义新的数据结构，其特点包括：

1）飞行计划应以惯用的日历形式展示，具备灵活、可视化的动态调整功能；

2）飞行计划是工作主线，应能实现飞行计划与其他类型手册内容的关联功能，便于查阅；

3）在飞行计划编制方面，应提高可视化水平，引入自动检查和校核技术，确保计划正确性；

4）能实现计划执行情况自动记录并下传地面，强化统计和分析功能，减少对天地问答、人工记录的依赖，提高交互效率。

2 电子手册功能设计

基于长期飞行航天员电子手册需求和特点，航天员电子手册主要功能包括8项。

2.1 内容制作、管理和发布

支持4类飞行手册的内容编辑；支持文字、图片、多媒体信息处理；支持热点信息编辑，具有规则检查、版本控制功能，能够按照飞行手册格式出版发布。

2.2 手册内容更新

电子手册留轨使用，工作计划需定期上传；在轨设备不断更新，需实现天地动态更新功能，应具备整版和增量更新模式。

2.3 飞行计划辅助设计

在航天员作息制度框架下，支持飞行计划可视化设计，对飞行事件的逻辑关系和时间冲突进行检查。

2.4 飞行计划管理

航天员可通过电子手册记录工作执行进展并下传地面。为地面飞控支持人员提供计划执行情况监控、记录和调整等功能，并支持对计划执行结果的统计分析。

2.5 内容链接功能

飞行手册内容信息量大，且4类手册之间存在层次关系，需要对相关内容提供导航链接功能，尤其是飞行计划与操作指南之间的链接，方便航天员使用。

2.6 阅读导航功能

能够按飞行器构型、功能结构等方式提供目录导航，提供文字和语音检索、书签、意见反馈、注释管理等功能。

2.7 引导排故功能

通过预先编制的排故逻辑，引导航天员检查设备、阀门、开关和管线等情况，逐步引导航天员故障定位和实施相应处置。

2.8 打印功能

需具备飞行手册打印功能，可对在轨纸版飞行手册替换。

3 架构与应用模式

3.1 架构设计

航天员电子手册平台架构分为地面制作端、交互服务端和在轨应用端3部分，如图1所示。

1）地面制作端，负责电子手册内容制作、飞行计划辅助设计与管理，版本控制及发布。

2）交互服务端，为电子手册内容更新上传、在轨工作执行进展等信息下传，提供信息传输和运行服务。

3）在轨应用端，接收地面发布的电子手册数据包，供航天员浏览、查询和记录等使用。

图1 航天员电子手册平台架构

与地面网络不同，飞行器与地面之间信息交互受测控区影响[8]，存在通信中断情况，为确保航天员使用电子手册的实时性，电子手册数据应存储在飞行器端。航天员使用电子手册时，应读取本地存储的数据文件，不受测控区影响。测控区内，可按需更新数据，保证在轨数据的有效性。

3.2 应用模式

电子手册平台应用模式如图2所示，可划分为手册编制和任务实施2个阶段。

3.2.1 手册编制阶段

1）电子手册平台部署在局域网中，各手册设计人员在计算机上，利用网络化平台软件编制飞行手册。

2）各设计人员完成所属手册内容编制后，按照流程进行手册内容的提交与审核。

3）按预定格式发布线性手册；发布电子手册数据包，导入运营服务器，后续任务实施阶段可在轨更新。

图2 电子手册平台应用模式

3.2.2 任务实施阶段

任务实施阶段主要涉及在轨飞行器、飞控现场2个现场。

1） 在轨飞行器

航天员使用电子手册PAD，浏览查阅手册内容、记录工作计划执行情况等，必要时在轨打印。

2） 飞控现场

飞控现场部署服务器，负责天地数据交互，支持电子手册更新，同时接收在轨工作执行情况。当需要调整飞行计划时，现场调整经审核批准后，发布新的飞行计划并上行更新。地面人员可对计划执行结果进行统计分析，可为制定后续飞行计划提供参考。

4 结语

航天员的飞行工作时间是载人航天任务的重要资源，提高航天员在轨工作效率是发挥载人航天工程效益的有效手段。空间站长期飞行中，航天员在设备使用、实现操作和维护维修方面需要使用大量信息，IETM技术是为航天员提供信息快速查询和浏览的重要途径，但应针对航天员飞行手册信息特点、载人航天数据传输特点等进行针对性设计和二次开发，确保信息处理适用性、使用便捷性及天地数据交互可行性。

[1] 刘新见,章引平,余晖,等.GJB6600.1-2008,装备交互式电子技术手册第一部分:总则[S].北京:总装备部军标出版发行部, 2008.

[2] 徐宗昌,雷育生.装备IETM研制工程总论[M].北京:国防工业出版社,2012.

[3] 崔建锋.交互式电子技术手册-IETM综述[J].航空制造技术, 2011(12):105-107.

[4] 戴文明.交互式电子技术手册在雷达中的应用[J].电子机械工程,2011,27 (2):12-15.

[5] 周建平.我国空间站工程总体构想[J].载人航天,2013,19(2): 1-10.

[6] Thomas Uhlig, Alexander Nitsch, Joachim Kehr. HOW COLUMBUS LEARNT TO FLY--Glimpses of a unique space mission[M]. ESA Communications, 2013.

[7] ASD/ATA.S1000D:International specification for technical publications utilizing a common source database (Issue3.0) [S]. 2007.

[8] 陈志国,张强.国际空间站信息系统架构综述[J].载人航天, 2011,17(1):5-9,33.

Research on Architecture and Application Mode of Interactive Electronic Technical Manual for Astronaut

Fan Yongliang Zhong Weiwei Wu Dawei Chen Junwei

(China Astronauts Research and Training Center)

The requirement and characteristic of Interactive Electronic Technical Manual (IETM) using by astronaut for long-term manned spaceflights were analyzed. This paper laid special stress on analyzing the particularity in data type, display form and information correlation of flight working plan which was a part of the IETM. The basic functions of astronaut IETM were proposed. Base on the above-functions, the technical architecture of IETM for manned spaceflights was built, and the application pattern and information flow were designed.

Astronaut; Interactive Electronic Technical Manual (IETM); Technical Architecture

范永亮，男，1982年生，硕士，助理研究员，主要研究方向：载人航天软件总体设计。E-mail: 54310302@qq.com

仲伟巍，男，1982年生，学士，助理研究员，主要研究方向：载人航天飞行手册总体设计。

吴大蔚，女，1972年生，硕士，研究员，主要研究方向：载人航天航天员系统总体设计。

陈军伟，男，1985年生，博士，助理研究员，主要研究方向：载人航天软件总体设计。