費 益， 季小琴， 程金陵

(中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海 200436)

0 引言

平視顯示(Head Up Display，HUD)最早是應(yīng)用在戰(zhàn)斗機上的一項技術(shù)［1］，它將各種飛行參數(shù)和武器瞄準(zhǔn)信息等以字符和圖像的方式通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，投影到飛行員眼中。近10年來，平顯系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于民用飛機，然而，民用飛機的平顯系統(tǒng)與軍用飛機在系統(tǒng)組成、架構(gòu)上都存在較大區(qū)別，尤其是在適航符合性上，對民用飛機平顯系統(tǒng)的設(shè)計、安裝都提出了非常嚴(yán)格的要求。另外，隨著航空公司對飛機起飛與著陸性能、飛行安全的要求不斷提高，平顯上顯示的信息也越來越豐富，目前已開始逐漸被采用的就是增強視景與平顯字符的融合顯示，即增強飛行視景系統(tǒng)(Enhanced Flight Vision System，EFVS)，它使飛行員在觀察平顯上飛行參數(shù)的同時，又能看到飛機前方景物的紅外圖像，可以大大提高飛行員情境意識和飛行能見度。

1 平視顯示系統(tǒng)的組成

民用飛機的平顯系統(tǒng)通過飛行員頭頂?shù)囊徊客队把b置，將經(jīng)過篩選處理的一些重要飛行數(shù)據(jù)投影在位于風(fēng)擋和飛行員頭部之間的一塊特殊光學(xué)透明玻璃上，飛行員不需低頭就可以從這塊玻璃上獲取重要的飛行數(shù)據(jù)，又可以透過這塊玻璃和風(fēng)擋看駕駛艙外，獲取必要的目視參考。平顯上顯示的信息包括(但不限于):飛行航跡矢量、俯仰和橫滾姿態(tài)、航向、空速、地速、高度和氣壓設(shè)置、垂直速度、風(fēng)速和風(fēng)向、風(fēng)切變提示信息、低能見度起飛指引、滑行導(dǎo)引、增強視景。

平顯系統(tǒng)的主要組成部分包括5個外場可更換設(shè)備(Line Replaceable Unit，LRU):平顯計算機、投影裝置、組合儀、輸入裝置、指示裝置［2］。

1)平顯計算機。

平顯計算機對來自各傳感器和其他飛機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行綜合處理，并生成符號信息，送到投影裝置和組合儀進行顯示。平顯計算機既可以是獨立的LRU，也可以以模塊的形式集成在綜合模塊化航電設(shè)備(Integrated Modular Avionics，IMA)中。

若平顯系統(tǒng)采用獨立的計算機，則其重量、外形尺寸、連接器及安裝托架須滿足ARINC600規(guī)范，重量設(shè)計目標(biāo)為9 kg(19.8 lbs)，最大為15 kg(33 lbs)。獨立計算機既可使用115 V 360～800 Hz單相交流電源，也可使用28 V直流電源。除滿足自身電源需求外，它還為投影裝置、組合儀及控制、指示板(如果有)提供電源。獨立計算機采用強制空氣冷卻，工作時應(yīng)為其提供每分鐘1.2 lbs、溫度在40°C以下的空氣流，流過計算機的冷卻空氣壓力為50±30 Pa。獨立計算機在失去冷卻空氣的條件下應(yīng)不會喪失全部功能，特別是在240 min內(nèi)不能喪失關(guān)鍵功能。

2)投影裝置。

投影裝置是一個獨立的LRU，根據(jù)顯示像源的不同，投影裝置有CRT和LCD兩類，目前民用飛機上安裝的平顯投影裝置以帶LED背光照明的有源矩陣LCD(AMLCD)為主。投影裝置通過ARINC818總線或DVI總線從平顯計算機接收圖像、符號及視頻信息，經(jīng)光學(xué)組件準(zhǔn)直和校正后，投影到組合儀上，供飛行員觀察。

投影裝置的設(shè)計重量不應(yīng)超過14 kg(30.8 lbs)，它從平顯計算機獲得電源，當(dāng)平顯計算機被集成時，投影裝置使用28 V直流電源。投影裝置一般采用自然的方式進行冷卻。

3)組合儀。

組合儀也是一個獨立的LRU，它是平顯系統(tǒng)的終端信息顯示裝置。組合儀的主要部件是一塊鍍有半反射膜的透明光學(xué)玻璃，它對可見光的透射率可達到90%以上，它將聚焦在無窮遠處的光學(xué)符號顯示在飛行員的正前方，使飛行員既能看到投影在組合儀上的飛行、導(dǎo)航及指引等信息，又能觀察飛機外部環(huán)境，從而減少了飛行員抬頭觀察和低頭看儀表之間的轉(zhuǎn)換，降低工作負擔(dān)。

組合儀的設(shè)計重量不應(yīng)超過3.2 kg(7 lbs)，它由投影裝置提供電源。

4)輸入裝置。

平顯控制板(HUD Contorl Panel，HCP)作為平顯系統(tǒng)的輸入裝置，用于亮度調(diào)節(jié)和符號簡化顯示選擇，其一般安裝在組合儀或遮光罩上。

HCP的設(shè)計重量不應(yīng)超過1.35 kg(3 lbs)，它從平顯計算機獲得電源，當(dāng)平顯計算機被集成時，HCP使用28 V直流電源。

5)指示裝置。

平顯指示裝置用于向機組通告平顯系統(tǒng)的當(dāng)前工作模式、工作狀態(tài)及相關(guān)告警等信息。一般來說，平顯指示裝置上的通告信息可顯示在主飛行顯示器(Primary Flight Display，PFD，通常用于顯示姿態(tài)、高度、空速等主要飛行參數(shù))或多功能顯示器(Multifunction Flight Display，MFD，通常用于顯示地圖、飛行管理、發(fā)動機參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)等飛行數(shù)據(jù))上，而系統(tǒng)失效或故障信息可顯示在中央警告系統(tǒng)中，所以一般不需要另外安裝平顯專用指示板。

2 平視顯示系統(tǒng)的架構(gòu)

平顯系統(tǒng)根據(jù)不同飛機的安裝要求和系統(tǒng)配置，其架構(gòu)也有所不同。同時，平顯系統(tǒng)的架構(gòu)還受預(yù)定功能、安全性指標(biāo)、航電系統(tǒng)架構(gòu)、航電與非航電系統(tǒng)之間交聯(lián)方式等因素的影響，可靈活配置。一般民用飛機上的平顯系統(tǒng)有以下3種基本架構(gòu)。

1)單平顯架構(gòu)。

單平顯系統(tǒng)包括一個平顯計算機、一個投影裝置和一個組合儀，投影裝置和組合儀安裝在正駕駛一側(cè)。單平顯系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)確保系統(tǒng)工作模式和告警信息能被副駕駛看到。

單平顯系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 單平顯系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Single HUD architecture

2)雙平顯架構(gòu)。

雙平顯系統(tǒng)包括兩個獨立的平顯計算機、兩個投影裝置和兩個組合儀，在任一時刻兩個投影裝置和組合儀可以同時工作。雙平顯系統(tǒng)可經(jīng)過適航審定將平顯作為PFD使用，當(dāng)然，此時平顯系統(tǒng)需要在顯示格式與冗余管理等方面與下顯系統(tǒng)進行綜合。雙平顯系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)確保系統(tǒng)工作模式和告警信息能被非操作飛行員看到。

雙平顯系統(tǒng)有兩種工作方式:第一種工作方式下，平顯計算機驅(qū)動與它同側(cè)的投影裝置/組合儀;第二種工作方式下，平顯計算機驅(qū)動與它同側(cè)或?qū)?cè)的投影裝置/組合儀。第二種工作方式要求每個投影裝置/組合儀可接收來自于兩個平顯計算機的信號。

雙平顯系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙平顯系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Dual HUD architectures

3)集成式平顯架構(gòu)。

集成式平顯系統(tǒng)將平顯計算機集成到IMA中，此時，平顯系統(tǒng)需要在顯示格式與冗余管理等方面與下顯系統(tǒng)進行綜合。

集成式平顯架構(gòu)減少了LRU的數(shù)量和機上電纜、減輕了設(shè)備重量、降低了功耗，也使信息在平顯和下顯之間實現(xiàn)共享，但是采用集成式平顯架構(gòu)與否會受到整個航電系統(tǒng)架構(gòu)的影響。

3 平視顯示系統(tǒng)設(shè)計和安裝準(zhǔn)則

目前FAR25/CCAR25(運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn))中暫沒有專門針對民用飛機平顯系統(tǒng)設(shè)計的強制性條款，在系統(tǒng)設(shè)計過程中主要參考非規(guī)章類文件或咨詢通告。例如美國汽車工程師協(xié)會頒布的ARP 5287對平顯系統(tǒng)的光學(xué)性能給出了測量方法;ARP 5288對平顯系統(tǒng)的功能、設(shè)計考慮、安全性分析、安裝、視覺特性、顯示信息、系統(tǒng)驗證等作了較為全面的介紹;AS 8055給出了平顯系統(tǒng)的最低性能標(biāo)準(zhǔn)。一直以來，民用飛機平顯系統(tǒng)在適航取證過程中均以專用條件的形式補充適航條款中有關(guān)平顯的空白。但隨著平顯系統(tǒng)在民用飛機，特別是新研機型上的應(yīng)用越來越廣泛，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)也意識到現(xiàn)有適航條款的不足，于2010年6月22日發(fā)布了咨詢通告AC 20－167。這部咨詢通告對平顯及相關(guān)系統(tǒng)的適航批準(zhǔn)提供了參考性建議，雖然仍然是一部非強制性規(guī)章，但對平顯系統(tǒng)設(shè)計、安裝、測試、取證具有重要的指導(dǎo)意義。另外，國外一些成熟機型或先進機型上的平顯設(shè)計經(jīng)驗也是系統(tǒng)設(shè)計過程中可遵循的準(zhǔn)則。

3.1 平顯系統(tǒng)與下顯系統(tǒng)的關(guān)系

平顯系統(tǒng)將各種重要飛行數(shù)據(jù)顯示在飛行員正前方的組合儀上，同時這些飛行數(shù)據(jù)也顯示在下顯系統(tǒng)(主要是PFD)上。為了防止飛行員在觀察平顯和PFD時產(chǎn)生理解上的障礙，也為了減輕飛行員視覺上的負擔(dān)，平顯系統(tǒng)一般應(yīng)使用與同側(cè)PFD相同的數(shù)據(jù)源，并確保在顯示格式、內(nèi)容和參數(shù)上與PFD一致。平顯和PFD的顯示需要做到:1)符號必須具有相同的格式;2)相關(guān)的信息必須顯示在同一個位置;3)數(shù)字輸出必須具有相同的精度、單位和標(biāo)志;4)模擬刻度必須具有相同的范圍和動態(tài)操作;5)系統(tǒng)工作模式或狀態(tài)轉(zhuǎn)換提示除了顏色之外，均應(yīng)一致。

3.2 平顯系統(tǒng)的人機交互

一般來說，平顯系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成在整個飛行階段都可用。而在實際應(yīng)用中，滑行、起飛、進近、著陸是平顯系統(tǒng)應(yīng)用最為頻繁的4個階段，特別是對于具有低能見度起飛指引、著陸指引計算功能的平顯來說，這4個階段也是最能發(fā)揮平顯優(yōu)勢的飛行階段。另一方面，滑行、起飛、進近、著陸也是飛行員工作負荷最大、出錯率最高的飛行階段。因此，良好的人機界面是保證飛行員正確操作的前提。

在起飛前，平顯系統(tǒng)需要得到系統(tǒng)計算指引信息所需要的數(shù)據(jù)，例如跑道長度、接地區(qū)標(biāo)高等。這些數(shù)據(jù)一般可以從飛管數(shù)據(jù)庫中獲取，而無須機組手動輸入。當(dāng)確實需要機組通過HCP或鍵盤等設(shè)備手動輸入系統(tǒng)運行所需的參數(shù)時，系統(tǒng)應(yīng)具備無效數(shù)據(jù)提醒功能。

平顯系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)不同的飛行階段自動選擇工作模式和符號顯示模式，也允許飛行員進行手動選擇。平顯工作模式一般有起飛模式、主模式、目視進近模式、儀表進近模式、滑行模式等，不同功能的平顯系統(tǒng)具備的工作模式是不同的。符號顯示模式只有全字符模式和防擁模式兩種。在防擁模式時，空速和高度刻度帶會由數(shù)字讀數(shù)代替，同時畫面下方的羅盤也會消失。平顯工作模式和符號顯示模式的手動選擇應(yīng)保證飛行員能夠在不偏離設(shè)計眼位的情況下進行操作。

平顯系統(tǒng)字符顯示亮度一般也有手動控制和自動控制兩種，如果沒有手動的亮度控制，則系統(tǒng)必須提供自動亮度調(diào)節(jié)功能。當(dāng)平顯的字符上疊加了圖像顯示(如增強視景)時，系統(tǒng)還必須提供調(diào)節(jié)圖像亮度或圖像與字符之間對比度的手段。平顯系統(tǒng)的亮度調(diào)節(jié)應(yīng)保證飛行員能夠在不偏離設(shè)計眼位的情況下進行操作。

平顯系統(tǒng)的開關(guān)控制提供給飛行員選擇使用或不使用平顯的手段。但是平顯的開關(guān)一般不需要設(shè)置一個單獨的按鈕，而是將開關(guān)功能與組合儀的收起操作耦合，即飛行員將組合儀翻至收起位置時，平顯系統(tǒng)自動切斷電源，組合儀位于工作位置時系統(tǒng)自動接通電源。

3.3 平顯系統(tǒng)的安裝要求

平顯系統(tǒng)在駕駛艙中的安裝，除應(yīng)滿足FAR25/CCAR25中規(guī)定的關(guān)于顯示系統(tǒng)的安裝要求外，同時還應(yīng)滿足以下要求［3］:

1)系統(tǒng)的安裝應(yīng)確保駕駛員頭部三維輪廓和最靠近的平顯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的距離大于50 mm(2 in);

2)安裝投影裝置時，既要保證投影裝置與機身軸向之間的光學(xué)校準(zhǔn)，還要保證投影裝置與組合儀之間的校準(zhǔn);

3)安裝組合儀時也要保證其與機身軸向之間的光學(xué)校準(zhǔn)。

當(dāng)組合儀處在工作位置時，飛機擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面和組合儀的任一部分之間的最小物理間隙應(yīng)大于25 mm(1 in);當(dāng)組合儀處在脫離位置時，上述最小物理間隙可以小于25 mm，但是在組合儀由工作位置向脫離位置轉(zhuǎn)換的過程中，不能與飛機風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面有物理接觸。

4 平視顯示系統(tǒng)在民用飛機上的應(yīng)用

目前，除波音和空客系列的客機基本已安裝平顯系統(tǒng)外，在支線航空領(lǐng)域，龐巴迪的CRJ系列和巴西航空公司的ERJ系列飛機也逐步將該系統(tǒng)列為必裝設(shè)備。國內(nèi)使用平顯系統(tǒng)的航空公司包括山東航空公司和廈門航空公司。本文以B737與B787飛機上的平顯系統(tǒng)為例，說明平顯在民用飛機上的應(yīng)用與發(fā)展。

B737－800飛機裝備Rockwell Collins生產(chǎn)的Model 4000平視指引系統(tǒng)，這是一個單平顯架構(gòu)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5個LRU組成。平顯計算機安裝在電子電氣設(shè)備艙內(nèi);HCP安裝在中央操縱臺上;投影裝置和組合儀均裝在正駕駛側(cè)，其投影裝置采用CRT像源;指示裝置裝在副駕駛側(cè)的儀表板上。

Model 4000的平顯上可以顯示以下信息:飛行姿態(tài)、異常姿態(tài)、航向和飛行軌跡、飛行參考、飛行路徑、攻角、速度、高度、工作模式、警告信息、導(dǎo)航信息、飛行指引、TCAS等。

B787飛機裝備的是Rockwell Collins生產(chǎn)的2200平顯系統(tǒng)，這是一個雙平顯架構(gòu)的系統(tǒng)，其平顯計算機已經(jīng)被集成到IMA中，投影裝置也采用了LCD單色(綠色)投影儀，沒有專門的輸入裝置和指示裝置。

2200平顯系統(tǒng)的專用控制只有符號調(diào)節(jié)和亮度調(diào)節(jié)兩種:符號調(diào)節(jié)控制開關(guān)位于操縱桿的外側(cè)，用于在全字符模式和防擁模式之間進行轉(zhuǎn)換，開關(guān)只控制同側(cè)的平顯;亮度調(diào)節(jié)有手動和自動方式，通過拔出和按下調(diào)節(jié)旋鈕在兩種方式之間切換，調(diào)節(jié)按鈕位于頂部板前部，左右兩側(cè)各一個。

從波音公司新、老兩代機型上安裝的平顯系統(tǒng)來看，平顯系統(tǒng)的集成化程度越來越高:平顯計算機逐步以模塊的形式被集成到IMA中，平顯系統(tǒng)的輸入與其他系統(tǒng)的輸入相結(jié)合，工作模式及告警通告等信息也在下顯系統(tǒng)中顯示，不再采用單獨的指示裝置。另外，過去采用CRT像源的投影裝置也正被LCD像源所代替。在平顯系統(tǒng)的功能上，從過去的以提供主飛行信息為主，到現(xiàn)在既能夠提供起飛指引，又能夠提供進近和滑出指引，平顯的功能正在向提高惡劣天氣環(huán)境下飛機的派遣率和降低著陸標(biāo)準(zhǔn)方向發(fā)展。特別是平顯系統(tǒng)與視景增強系統(tǒng)(Enhanced Vision System，EVS)的結(jié)合，形成增強飛行視景系統(tǒng)(EFVS)，可大大提高飛行能見度，為飛行安全提供有效保障。

5 增強飛行視景系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局定義，增強飛行視景系統(tǒng)是一種利用圖像傳感器(如前視紅外或毫米波探測器)為飛行員提供飛行前方外部場景顯示的電子系統(tǒng)［4］。

增強飛行視景系統(tǒng)將圖像傳感器采集到的信息送到圖像處理模塊中進行處理，并與平顯顯示字符進行融合，處理完的視頻圖像經(jīng)視頻總線傳輸?shù)狡斤@投影裝置，最終顯示在組合儀上。圖3所示為增強飛行視景系統(tǒng)工作原理圖，圖4所示為增強飛行視景系統(tǒng)的顯示效果。

圖3 增強飛行視景系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Working principle of EFVS

圖4 增強飛行視景系統(tǒng)顯示效果Fig.4 EFVS display

5.2 系統(tǒng)功能

增強飛行視景系統(tǒng)在飛行的各個階段均可使用，但其重要作用體現(xiàn)在低能見度條件下輔助飛行員進行起飛、進近和著陸。經(jīng)過按咨詢通告AC120－29A(I類和II類進近的氣象批準(zhǔn)最低標(biāo)準(zhǔn))或AC120－28D(III類起飛、著陸和滑行的氣象批準(zhǔn)最低標(biāo)準(zhǔn))進行適航批準(zhǔn)的增強飛行視景系統(tǒng)可以幫助飛行員按FAR91(一般運行和飛行規(guī)則)中的規(guī)定完成以下預(yù)定功能:

1)跑道視程300 ft(1ft=0.3048 m)條件下的低能見度起飛;

2)決斷高度200 ft、跑道視程2400 ft的Ⅰ類儀表進近;

3)決斷高度150 ft、跑道視程1800 ft的Ⅱ類儀表進近;

4)按照 FAR91.175(l)、(2)中的要求，在上述2)、3)兩種情況下飛行員獲得增強的飛行能見度，駕駛飛機下降至最低決斷高度以下;

5)按照 FAR91.175(l)、(3)中的要求，在上述2)、3)兩種情況下飛行員依靠增強飛行視景系統(tǒng)看清和辨別目的跑道的參照物(如跑道燈)，駕駛飛機繼續(xù)進近至距離接地區(qū)標(biāo)高100 ft的高度;

6)決斷高度50 ft、跑道視程700 ft的Ⅲ類儀表進近。

需要指出的是，無論是否借助增強飛行視景系統(tǒng)，飛行員在距離接地區(qū)標(biāo)高100 ft的高度必須能夠目視辨別FAR91.175(l)、(4)中指定的跑道參照物，否則就必須執(zhí)行復(fù)飛。

5.3 適航要素

如前文所述，由于缺乏針對性的適航條款，民用飛機增強飛行視景系統(tǒng)在適航取證過程中需要以專用條件的形式補充驗證內(nèi)容，并與通用的適航條款一起納入系統(tǒng)的適航審定基礎(chǔ)。增強飛行視景系統(tǒng)的專用條件可以從以下幾個方面考慮并制定:

1)增強飛行視景圖像不能降低飛行安全性，不能影響駕駛員觀察外部目視參考;

2)增強飛行視景圖像部分替代了FAR/CCAR 25.773中規(guī)定的駕駛艙視界，必須保證駕駛艙視界的安全和有效，不能降低駕駛員完成與駕駛艙視界相關(guān)任務(wù)的安全性和能力;

3)儀表進近時增強飛行視景系統(tǒng)的使用需滿足FAR 91.175(l)中的要求;

4)其他與飛機相關(guān)的限制條件。

6 結(jié)束語

平視顯示系統(tǒng)在民用飛機上的應(yīng)用越來越廣泛，然而相對于軍用飛機，民機上的平顯系統(tǒng)有著嚴(yán)格的適航要求。本文正是針對這一特殊性，對平顯系統(tǒng)的組成、架構(gòu)、設(shè)計與安裝準(zhǔn)則進行了詳細的闡述。

現(xiàn)代民用飛機上的平顯系統(tǒng)正朝著集成化、多功能化的方向發(fā)展。平顯的功能已不再局限于提供主飛行信息，而是通過與其他系統(tǒng)的綜合來提高飛機的飛行品質(zhì)。本文以具體的例子說明了平顯系統(tǒng)在民機上的應(yīng)用與發(fā)展，并對平顯系統(tǒng)的擴展應(yīng)用即增強飛行視景系統(tǒng)作了初步研究。

［1］楊寧，董海濤，楊忠.平視顯示器的裝機工程設(shè)計研究［J］.電光與控制，2007，14(2):117-118.

［2］ARINC characteristic 764.Head-Up Display(HUD)system［S］.Airlines Electronic Engineering Committee，July 8，2005.

［3］ARP 5288.Transport category airplane Head Up Display(HUD)systems［S］.SAE，2001.

［4］DO-315.MASPS for enhanced vision systems，synthetic vision systems，combined vision systems and enhanced flight vision systems［S］.RTCA，Dec 16，2008.