HUD設(shè)備為飛行員提供了更加清晰的“視”界

　　波音737－800飛機安裝的HUD設(shè)備

　　在夜間或低能見度條件下，EFVS能提供更加清晰的外部環(huán)境視景

　　編者按：從某種意義上說，“靠天吃飯”始終是民航運行中的突出問題。風、雨、雪、雷等天氣，以及夜間和低能見度等氣象條件，都直接影響著民航的安全和正點運行。如何應(yīng)對這些影響民航正常運行的天氣現(xiàn)象，提升飛行運行品質(zhì)，是民航系統(tǒng)不斷探索和研究的課題。隨著平視顯示器（HUD）、增強飛行視景系統(tǒng)（EFVS）和增強型氣象情報系統(tǒng)（EWINS）的逐步應(yīng)用，這些新的航空技術(shù)正在不斷破解壞天氣給民航帶來的難題，成為安全飛行的“保護傘”。HUD和EFVS的使用，可以顯著提高飛行員的情景意識和飛行品質(zhì)。無論是在夜間還是在低能見度條件下，飛行員的飛行“視”界都將大為擴展，也更加清晰。而EVINS系統(tǒng)的使用和新一代航空氣象系統(tǒng)的建立，將大大提高民航氣象的服務(wù)能力和水平，對確保持續(xù)安全、減少天氣對飛行安全和效率的影響起著至關(guān)重要的作用。

　　HUD：平視更舒適，飛行更安全

　　平視顯示器（簡稱HUD）是一種具有世界先進技術(shù)水平的機載光學顯示系統(tǒng)。它可以把飛機的飛行信息準確地投射到飛行員視野正前方的透明顯示器上，使飛行員在整個飛行過程中，始終保持平視狀態(tài)飛行，不再頻繁地低頭俯視儀表或抬頭關(guān)注外界目視參照物。這項新技術(shù)能極大地提高飛行員的飛行狀態(tài)感知能力和精準操作能力，對提高飛行安全品質(zhì)和低能見度條件下的運行安全水平具有十分重要的作用。

　　HUD的前世今生

　　HUD系統(tǒng)用于航空業(yè)可以追溯到上世紀二三十年代，最早用于軍用飛機上。在上世紀80年代，美國阿拉斯加航空公司將這套軍用飛機上的HUD技術(shù)用于民用航空干線飛機領(lǐng)域，解決了在復雜地形和天氣條件下的航路及機場的飛行安全問題。經(jīng)過20余年的發(fā)展，HUD被越來越多的航空公司所認可和選裝，波音公司與空客公司都把HUD作為駕駛艙必備設(shè)備分別安裝在波音787、空客A380飛機上。

　　HUD系統(tǒng)的構(gòu)造，主要由顯示組件、控制組件、計算機和電源等部分組成。它的工作程序，首先是有效接收機載導航系統(tǒng)或者飛行指引系統(tǒng)的信息，然后利用計算機將已接收的信息數(shù)據(jù)進行處理并生成符號顯示，最后再通過飛行員頭部后上方的投影設(shè)備，將飛行信息符號投影到飛行員視野正前方的顯示屏上，與外部視景相疊加。這些信息包括:主飛行顯示（PFD）和導航顯示（ND）上顯示的飛行信息、飛機的空速、地速、姿態(tài)等內(nèi)容。

　　HUD利用自身計算機處理和生成一些其他重要的飛行數(shù)據(jù)和指引信息，顯示一些傳統(tǒng)儀表無法顯示的符號和數(shù)據(jù)，包括：空中防撞、風切變改出、剩余跑道長度、防擦機尾、加減速度提示等。HUD系統(tǒng)在向飛行員提供飛行指引的同時，成為安全運行的“保護傘”。

　　近年來，國際民航組織建議各國民航當局將HUD技術(shù)作為提高飛行安全品質(zhì)的措施之一，并進行推廣。目前，HUD設(shè)備已在全球22個國家的36家航空公司的4500余架飛機上使用。我國航空公司的飛機也按照中國民航局的安全要求使用這項成熟的航行技術(shù)。

　　HUD的優(yōu)勢

　　HUD系統(tǒng)的引進和應(yīng)用，為我國民航飛行運行帶來的安全效益是顯而易見的。這項技術(shù)在使用中具有不同尋常的優(yōu)勢：

　　一是增強了飛行員的情景意識，提高了飛行運行品質(zhì)。在以往的飛行運行中，由于飛機的儀表設(shè)備都設(shè)置在飛行員視線下方，飛機在進近、著陸過程中，飛行員必須靠建立目視參考判斷飛機飛行的準確姿態(tài)和位置，判斷飛機的下滑姿態(tài)及接地過程的準確性。在使用HUD設(shè)備后，飛行信息通過投影設(shè)備直接投射在顯示器上，與外界視景疊加在一起，讓飛行員保持平視姿態(tài)，在觀察外界視景的同時，跟隨飛行指引飛行,從根本上避免了飛行員丟失飛行狀態(tài)的情況和憑經(jīng)驗飛行的傳統(tǒng)習慣。

　　二是提高了全天候運行能力和航班正點率，降低了機場運行標準。HUD系統(tǒng)的飛行指引系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來自地面儀表著陸系統(tǒng)。在機場儀表著陸系統(tǒng)的航向、下滑信標指引工作正常的情況下，當出現(xiàn)低能見度天氣時，飛行員只要跟隨HUD的飛行指引飛行，按照HUD系統(tǒng)提供的指示精準操作飛機，到規(guī)定的決斷高度建立目視參考后，就可準確地將飛機降落到指定跑道的接地區(qū)。

　　三是精確預(yù)測接地點位置，可采用連續(xù)下降方式（CDFA），有助于實施穩(wěn)定進近。當飛機采用非精密方式進近時，可能需要飛行員在進近階段實施一次或多次梯級下降，增加了飛行員工作負荷和在飛行關(guān)鍵階段出現(xiàn)操作失誤的可能性。HUD設(shè)備通過計算處理，可以精確預(yù)測出跑道位置和接地點，并確定給出一條連續(xù)下降的垂直軌跡。飛行員通過使用系統(tǒng)提供的垂直導航和進近引導指示，可以保持恒定下滑軌跡直至接地，從而大幅度減少了飛機平飄時間過長和重著陸事件的發(fā)生率，有助于飛機安全、穩(wěn)定地進近著陸。

　　四是提供飛行信息輔助提示，防止不安全事件的發(fā)生。HUD設(shè)備能夠精確地顯示飛機起飛、著陸時剩余的跑道長度、加減速度信息等，能有效幫助飛行員監(jiān)控飛機速度，避免沖出跑道；HUD生成的擦尾俯仰極限顯示符號，能有效提示飛機擦尾極限的俯仰角裕度，防止擦機尾事件的發(fā)生。

　　HUD在中國民航的應(yīng)用

　　自2005年起，中國民航局在山東航空公司進行了HUD系統(tǒng)推廣應(yīng)用試點工作。截至目前，山東航空已在40余架波音737-800飛機上安裝了HUD設(shè)備，并已具備了使用HUD設(shè)備實施II類運行的資格。民航局還頒發(fā)了關(guān)于飛機使用HUD的運行政策與標準，在北京首都機場、上海浦東機場等7個國內(nèi)主要機場公布了基于HUD設(shè)備的運行最低標準。中國民航局在推動航行新技術(shù)方面已經(jīng)走上國際合作的道路，在HUD實施發(fā)展路線圖中制定了實施規(guī)劃，提出在2013年～2025年分3個階段在所有適用的飛機上安裝HUD設(shè)備。

　　中國民航局希望通過HUD這項新技術(shù)在全行業(yè)的應(yīng)用，進一步提升我國民航飛行安全品質(zhì)和提高運行效率，幫助解決民航運輸系統(tǒng)在快速發(fā)展中所面臨的諸多運行挑戰(zhàn)。

　　一是緩解航空公司安全壓力，提高航班正點率，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和社會效益。HUD設(shè)備的應(yīng)用，可以顯著提高航空公司運行風險控制能力和航班正點率，有助于航空公司創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　二是減少機場基礎(chǔ)設(shè)施升級負擔，提升機場運行保障效能。目前，我國具備低能見度運行保障能力的機場數(shù)量不多。按照傳統(tǒng)方式建設(shè)或?qū)F(xiàn)有I類運行的機場改造成II類運行機場，不僅資金投入量大，而且技術(shù)難度高。通過使用HUD設(shè)備，在不增加機場基礎(chǔ)設(shè)施投入和運營成本的情況下，能夠進一步降低機場運行標準，增強機場的通達性。

　　三是在特殊機場運行中，減少不利因素的影響，降低飛行員工作負荷，獲得更高的運行效益。我國現(xiàn)有40余個特殊機場。在特殊機場運行中，因周邊復雜的地形、較少的地面保障設(shè)施、惡劣的氣象條件，可能給飛行員實施精確飛行造成困難。在使用HUD設(shè)備后，飛行員能夠?qū)ν饨绛h(huán)境進行持續(xù)有效的監(jiān)控，飛行的安全裕度將大為增加。

　　EFVS：讓飛行有了全天候的“眼睛”

　　增強飛行視景系統(tǒng)（EFVS）是一種機載電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用圖像傳感器技術(shù)，向飛行員提供機場跑道、周圍地形和障礙物特征的實時圖像,并在飛行中向飛行員提供平視引導，從而顯著提高飛行員的情景意識和飛行品質(zhì)。

　　EFVS技術(shù)使用情況

　　EFVS技術(shù)最早源于軍方，美國F-18、C-130等飛機上均裝有EFVS設(shè)備。該技術(shù)有效整合了平視顯示器（HUD）和增強視景系統(tǒng)（EVS）這兩項新技術(shù)，包含了顯示組件、控制組件、傳感器、計算機和電源等組成部分。其特點是，利用前視紅外線、毫米波雷達或其他技術(shù)，探測外部環(huán)境實時圖像，并用攝像機把圖像拍攝下來，經(jīng)過圖像傳感和處理，將圖像視景信息投射到HUD上，然后再與HUD提供的飛行操縱指引及顯示信息相疊加，使得整個飛行環(huán)境清晰可見，為飛行員實施精確飛行提供有力保障。

　　EFVS設(shè)備早在2001年就通過了美國聯(lián)邦航空局（FAA）的相關(guān)認證，最早應(yīng)用于灣流公司G450和G550飛機上。EFVS設(shè)備于2007年升級到第二代設(shè)備，即EFVS2系統(tǒng)。從設(shè)備推廣看，波音、灣流、達索等公司已經(jīng)在其新機型中嘗試裝備EFVS設(shè)備。至今，全世界已有超過700余架飛機裝備了EFVS，超過600名飛行員具備使用EFVS的資格。

　　中國民航局對EFVS系統(tǒng)的實施與應(yīng)用高度重視，已將其確定為近年來著力試點應(yīng)用的一項航行新技術(shù)，積極支持和鼓勵航空公司更多更好地利用EFVS這一先進科技手段。自2012年3月起，中國民航局與華北地區(qū)管理局開展了對首都航空（公務(wù)機）公司G550機型EFVS應(yīng)用試點工作，并于當年6月批復該公司運行。

　　EFVS的優(yōu)勢

　　EFVS的應(yīng)用具有突出優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下一些方面。

　　一是飛行員視覺能力和飛行狀態(tài)感知能力得到明顯提高。在過去長時期的飛行運行中，飛行員只能通過肉眼，判斷和決定飛機能否順利起飛或著陸，而能見度成為航班運行正常與否的關(guān)鍵因素。在應(yīng)用EFVS設(shè)備后，飛行員能夠依靠機載紅外設(shè)備或雷達，獲得外部環(huán)境圖像信息，飛行“視”界大為擴展，也更加清晰。尤其是在夜間或低能見度條件下，飛行員可以依靠EFVS設(shè)備，獲得更為寬闊的視野和更加清晰的外部環(huán)境視景，讓飛行有了全天候的“眼睛”。

　　二是引入了“增強飛行能見度”概念，提高了航班正常率。在過去的飛行運行中，如果飛行員在進近程序決斷高度（DA）或最低下降高度（MDA）處，不能通過肉眼識別下降所需的目視參考，則不能繼續(xù)下降，必須選擇復飛。而在使用EFVS設(shè)備后，飛行員在DA或MDA處，如果透過EFVS設(shè)備能夠清晰地分辨或識別主要地形目標，則可以繼續(xù)下降到跑道接地區(qū)之上30米的位置。它使得飛行員在進近中更容易下降到更低高度，以獲得著陸所需的目視參考，從而減少復飛或備降的發(fā)生率。

　　三是提高了夜間和低能見度環(huán)境下運行能力，提升了飛行運行品質(zhì)。EFVS設(shè)備有利于飛行員盡早發(fā)現(xiàn)跑道，觀察附近的地形和周邊障礙物，幫助飛行員判別跑道入侵情況，并規(guī)避危險事件的發(fā)生。由于EFVS本身是基于HUD設(shè)備的技術(shù)，HUD中提供的飛行信息符號又為飛行員實施更為精確、更加可靠的平視操縱提供了有力保障，有助于飛行員維持穩(wěn)定進近，有效減少了可控飛行撞地（CFIT）和重著陸等危險事件的發(fā)生。

　　多樣化的航空視景設(shè)備

　　EFVS系統(tǒng)只是當今世界民航探索和應(yīng)用飛行視景新技術(shù)的一個縮影。與EFVS系統(tǒng)相類似，世界主要商用飛機和航電設(shè)備制造商仍在不斷探索和開發(fā)新一代航空視景設(shè)備。其中，相對成熟的視景系統(tǒng)包括增強視景系統(tǒng)（EVS）、合成目視系統(tǒng)（SVS）和組合目視系統(tǒng)（CVS）。

　　EFVS系統(tǒng)必須建立在使用HUD的基礎(chǔ)上，而EVS系統(tǒng)則可以單獨使用，其圖像信息不必疊加到HUD上。EVS只具有外部視景探測和顯示功能，可以向飛行員提供跑道特征，以及周圍地形和障礙物的圖像,能夠提高飛行員的情景意識。

　　與EFVS利用紅外線或雷達探測外部環(huán)境實時圖像的原理不同，SVS以飛機的位置和姿態(tài)為基準，并以存儲的地形、跑道、障礙物數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，由航電設(shè)備計算處理，生成虛擬外部環(huán)境視景。SVS系統(tǒng)的圖像覆蓋了飛行員通過HUD看到的外部世界，也能增強飛行員夜間和低能見度條件下的情景意識。但是，SVS和EVS都不能用作確定“增強飛行能見度”的手段，也不能用作下降到DA或MDA以下的手段。

　　CVS系統(tǒng)結(jié)合了SVS和EFVS的功能，可以集成傳感器探測的實時圖像與計算機繪制的數(shù)據(jù)圖像，疊加并顯示在同一個HUD上。其特點是，綜合運用了SVS系統(tǒng)和EFVS系統(tǒng)這兩套獨立信息源，從而為安全飛行提供了“雙保險”。

　　隨著EFVS、EVS等飛行視景新技術(shù)的不斷研發(fā)與運用，未來的飛行“視”界還會大為不同。（陳曦光）