王邯 陳加江 姬冬雪

HUD是平視顯示器（Head-up Display）的英文縮寫。在航空領(lǐng)域，HUD是指安裝在飛行員視線前方的一塊透明顯示屏及控制組件、傳感器、計(jì)算機(jī)和電源等組件，通過投影技術(shù)將飛機(jī)的主要飛行信息投射在無窮遠(yuǎn)處，與外部世界的視像實(shí)現(xiàn)疊加，使駕駛員可以保持平視姿態(tài)完成以往需要低頭查看儀表顯示才能完成的各種飛行動(dòng)作。

平視顯示技術(shù)源于軍用戰(zhàn)斗機(jī)，20世紀(jì)80年代初開始應(yīng)用于民航，后來也陸續(xù)引入到汽車行業(yè)。我們經(jīng)常見到一些高檔汽車裝有HUD，可以顯示簡(jiǎn)單的車輛信息，如速度、油量等，也可以融合導(dǎo)航信息來引導(dǎo)汽車行駛。

HGS是平視指引系統(tǒng)（Head-up Guidance System）的英文縮寫，是羅克韋爾·柯林斯公司專為波音飛機(jī)在低能見度運(yùn)行條件下設(shè)計(jì)的一個(gè)高度集成的寬視野平顯系統(tǒng)。與普通車用HUD最大的區(qū)別是，HGS能夠?yàn)轱w行員提供經(jīng)過精密計(jì)算的飛行指引，如滑跑指引、拉平指引等。

由于HUD的功能特點(diǎn)，使其在民航飛機(jī)的使用過程中具有很大的優(yōu)勢(shì)，如無須低頭察看儀表即可感知外界環(huán)境信息和飛機(jī)的姿態(tài)、導(dǎo)航信息，增強(qiáng)飛行情景意識(shí)；縮小飛行技術(shù)誤差；有助于實(shí)施穩(wěn)定進(jìn)近；減少重著陸和擦機(jī)尾事件的發(fā)生；為空中交通防撞系統(tǒng)、風(fēng)切變及非正常姿態(tài)等狀況提供識(shí)別和改出指引；改善全天候運(yùn)行和航班正常性；提高對(duì)速度和加速度的感知能力，加強(qiáng)對(duì)速度和加速度的管理；提供著陸減速信息，減少制動(dòng)組件磨損；精確預(yù)測(cè)接地點(diǎn)，提供擦機(jī)尾警告、非正常姿態(tài)改出信息，提高飛行品質(zhì)，提升安全性的同時(shí)節(jié)省燃油。舉例來說，在提高接地性能方面，使用HGS系統(tǒng)的接地點(diǎn)區(qū)間比不使用HGS系統(tǒng)的接地點(diǎn)區(qū)間更加集中、穩(wěn)定，極大提高了飛行的安全性。

HUD的前世今生

HUD的前身是使用在戰(zhàn)斗機(jī)上的光學(xué)瞄準(zhǔn)器。這種瞄準(zhǔn)器利用光學(xué)反射原理，將環(huán)狀的瞄準(zhǔn)圈光網(wǎng)投射在座艙前端的一片玻璃或者是座艙罩上面。投射的影像對(duì)于肉眼的焦距是定在無限遠(yuǎn)的距離上面，當(dāng)飛行員瞄準(zhǔn)目標(biāo)的時(shí)候不會(huì)妨礙到眼睛的運(yùn)作，維持清晰的顯示。這種瞄準(zhǔn)器最早出現(xiàn)在第一次世界大戰(zhàn)期間，到了第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候開始被廣泛應(yīng)用。

HUD誕生的最關(guān)鍵標(biāo)識(shí)是使用電腦處理航電信息，將轉(zhuǎn)換后的資料傳遞給HUD的顯示單元，再將影像投射到前方的玻璃上。20世紀(jì)60年代，HUD開始在美國(guó)的軍用戰(zhàn)斗機(jī)上安裝使用。第一架使用HUD的飛機(jī)是美國(guó)海軍的A-5艦載機(jī)。

HUD在民用航空上的應(yīng)用是在1975年法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司使用在水星Mercure飛機(jī)上。20世紀(jì)70年代晚期麥道MD-80系列飛機(jī)上開始采用HUD，之后開始普遍化，除了美國(guó)本身以外，其他國(guó)家也陸續(xù)購(gòu)買或者是研發(fā)相關(guān)的系統(tǒng)。1987年羅克韋爾·柯林斯公司成功開發(fā)民用HGS，成為波音系列飛機(jī)可靠的HUD供應(yīng)商。

HUD技術(shù)經(jīng)過在國(guó)際民航業(yè)近40年的發(fā)展，如今已經(jīng)十分成熟可靠，得到了國(guó)際民航組織的認(rèn)可，并取得了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)際上已有25個(gè)國(guó)家的40多家航空公司采用這項(xiàng)技術(shù)，超過4000多架飛機(jī)安裝了該設(shè)備。波音787飛機(jī)標(biāo)配了雙套平顯系統(tǒng)，在空客A350和A380飛機(jī)上，航空公司也可選裝HUD指引系統(tǒng)。美國(guó)聯(lián)邦航空局鼓勵(lì)航空公司使用這項(xiàng)新技術(shù)提高安全運(yùn)行水平，并已經(jīng)完成764個(gè)機(jī)場(chǎng)的儀表著陸系統(tǒng)的改造和降低運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)。

目前，這一技術(shù)在我國(guó)尚未得到全面推廣，因?yàn)榇蠖鄶?shù)飛機(jī)都沒有安裝這一設(shè)備。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我國(guó)民航局已經(jīng)公布了相應(yīng)的政策與運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)航空公司在未來幾年內(nèi)為其機(jī)隊(duì)安裝并使用這一技術(shù)，目的是推動(dòng)該技術(shù)在我國(guó)民航的應(yīng)用，提升飛行安全水平。根據(jù)民航局公布的《中國(guó)平顯技術(shù)應(yīng)用路線圖》，到2015年，10%的航空公司現(xiàn)役機(jī)隊(duì)需裝載平視顯示器；到2025年，所有航空公司的飛機(jī)都要配備平視顯示器。

山東航空公司作為國(guó)內(nèi)首家在飛機(jī)上安裝HGS的公司，在2005年引入該系統(tǒng)，隨后經(jīng)過了4個(gè)運(yùn)行階段，在手冊(cè)體系建立與HGS資格訓(xùn)練、基于HGS的II類補(bǔ)充運(yùn)行合格審定、利用HGS實(shí)施II類運(yùn)行、在I類跑道使用HGS實(shí)施特殊批準(zhǔn)的I類運(yùn)行或II類運(yùn)行直至Ⅲ類運(yùn)行方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不但增強(qiáng)了安全水平而且極大地提高了公司的運(yùn)行能力，真正實(shí)現(xiàn)了HGS為公司創(chuàng)收效益最大化。

截至2014年3月，山航運(yùn)營(yíng)飛機(jī)共計(jì)75架，其中已在57架波音737NG飛機(jī)上安裝了羅克韋爾·柯林斯HGS 4000型HUD設(shè)備；根據(jù)我國(guó)民航飛行標(biāo)準(zhǔn)及成本考慮，山航在不降低功能的前提下，在波音737NG飛機(jī)上選擇了左座單套HGS的構(gòu)型。在飛行時(shí)，左座主飛跟蹤指引信號(hào)，右座監(jiān)視常規(guī)儀表和HGS系統(tǒng)信號(hào)牌。山航培訓(xùn)部也已為2臺(tái)波音738全動(dòng)模擬機(jī)加裝了左座單套的HGS 4000型設(shè)備。

HUD未來發(fā)展趨勢(shì)

新一代的HGS還增加了增強(qiáng)視景系統(tǒng)EVS（Enhanced Vision System）。這是另一項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)的飛行新技術(shù)，已經(jīng)被國(guó)際民航組織作為未來推廣的新航行系統(tǒng)認(rèn)可。它利用攝像機(jī)拍攝由前視紅外線或毫米波雷達(dá)探測(cè)到的圖像信息，將外部環(huán)境的實(shí)時(shí)圖像通過傳感器投射到駕駛艙的HUD上，與原有的HUD信息相疊加，向飛行員提供機(jī)場(chǎng)跑道、周圍地形和障礙物特征的實(shí)時(shí)圖像，使整個(gè)飛行視野更為清晰可見，為飛行員實(shí)施精確飛行提供有力保障。

另一方面，柯林斯公司正著力推廣的合成視景系統(tǒng)（SVS）在HGS系統(tǒng)中的應(yīng)用。SVS基于獨(dú)立的地形、跑道和障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)，以飛行員的視角提供由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的外部環(huán)境視圖。其圖像是由電腦繪制的實(shí)時(shí)圖像，能夠真實(shí)反映外部環(huán)境。目前，SVS著陸應(yīng)用法規(guī)已經(jīng)在美國(guó)生效。

將增強(qiáng)視景系統(tǒng)（EVS）植入合成視景系統(tǒng)（SVS），則形成了組合視景系統(tǒng)（CVS）。對(duì)于這一系統(tǒng)，EVS和SVS的數(shù)據(jù)源可以由飛行員根據(jù)實(shí)時(shí)效果自由選擇。

根據(jù)民航局公布的《平視顯示器應(yīng)用發(fā)展路線圖》，到2020年，我國(guó)將有50%的飛機(jī)具備EFVS應(yīng)用條件；2021年，全國(guó)所有適用機(jī)場(chǎng)將公布EFVS運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)；2025年，所有飛機(jī)都將具備EFVS應(yīng)用條件。

HGS的技術(shù)原理（以波音737機(jī)型為例）

HGS系統(tǒng)主要包括5個(gè)航線可更換組件LRU和相應(yīng)的電纜、接插件、固定機(jī)構(gòu)，在飛機(jī)上，其計(jì)算機(jī)安裝在電氣電子艙中，其它4個(gè)組件安裝在駕駛艙內(nèi)，它們分別是：

HGS計(jì)算機(jī)（HC），負(fù)責(zé)從航電系統(tǒng)總線和飛機(jī)傳感器接收飛行數(shù)據(jù)并且把此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符號(hào)；

控制面板（HCP），它安裝在座艙儀表板區(qū)域，用來選擇HGS的工作模式，設(shè)置下滑角度、跑道長(zhǎng)度、標(biāo)高等參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)自身維護(hù)和診斷等；

頭頂投影組件（OHU）：它一般安裝在飛行員的頭頂上方，包括陰極射線管CRT和把符號(hào)圖像投影到組合以上的光學(xué)投影組件；

組合儀（Combiner）：它安裝在左前風(fēng)擋玻璃的上底梁結(jié)構(gòu)上，使飛行員在看風(fēng)擋玻璃外的景象時(shí)也可以看到OHU投影來的飛行符號(hào)；

信號(hào)牌面板（HAP）：它安裝在副駕駛的儀表面板上，在三類進(jìn)近、著陸、以及滑跑操縱中為副駕駛提供HGS的狀態(tài)和警告顯示。

HGS系統(tǒng)的成像主要是光學(xué)濾波反射原理。HGS計(jì)算機(jī)把飛行符號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)成圖像信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大電路等來驅(qū)動(dòng)OHU頭頂組件進(jìn)行投影。頭頂組件的陰極射線管CRT或液晶設(shè)備LCD對(duì)組合儀的玻璃板進(jìn)行投影成像。組合儀的玻璃鏡片實(shí)際上是個(gè)波長(zhǎng)選擇鏡，它可以反射OHU投射來的特定波長(zhǎng)的顏色光到飛行員的視點(diǎn)，也同時(shí)可以讓玻璃鏡片前方外界其他顏色的光通過玻璃鏡片進(jìn)入到飛行員視點(diǎn)。這樣飛行員看到的景象就是兩組光線疊加的景象。最新的投影裝置采用LED光源的硅基液晶LOCS投影儀，核心為單個(gè)的單色LCOS微型顯示器，LED照明器采用高亮度綠色LED和一個(gè)非成像光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)LCOS提供空間均勻的照明。照明器集光率與投影器集光率相匹配，使耦合損失最小，無須彩色分離濾光器，進(jìn)一步提高了對(duì)比度和效率。

HGS主要具有5種工作模式：主顯示模式PRI，該模式應(yīng)用于低能見度的起飛，典型的起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近和著陸；三類進(jìn)近模式AⅢ，該模式應(yīng)用于精密進(jìn)近和著陸，是專為三類最低標(biāo)準(zhǔn)人工ILS進(jìn)近和著陸運(yùn)行設(shè)計(jì)的；滑跑模式RO，該模式可以提供滑跑指引；儀表氣象條件IMC進(jìn)近，該模式用于自動(dòng)駕駛儀或飛行指引儀進(jìn)近；目視氣象條件VMC進(jìn)近，用于目視進(jìn)近。

HGS系統(tǒng)主要是為飛行員提供符號(hào)式的飛行指引和狀態(tài)指示。它在工作中的指示符號(hào)按組來分類，主要有飛機(jī)基準(zhǔn)符號(hào)、軌跡符號(hào)、迎角符號(hào)、航向和航跡符號(hào)、速度符號(hào)、高度符號(hào)、側(cè)滑符號(hào)、導(dǎo)航符號(hào)、工作模式和告警符號(hào)、三類進(jìn)近符號(hào)、飛行指引和自動(dòng)駕駛符號(hào)、TCAS符號(hào)。在不同的工作模式，顯示的符號(hào)內(nèi)容也是不一樣的。

HGS在模擬機(jī)中的使用

目前模擬機(jī)對(duì)HGS系統(tǒng)的集成，主要還是基于幾個(gè)核心航材件來實(shí)現(xiàn)。由于模擬機(jī)是計(jì)算機(jī)軟件模擬、I/O接口電路驅(qū)動(dòng)的仿真飛行系統(tǒng)，HGS系統(tǒng)所需的各種航電數(shù)據(jù)，都經(jīng)由模擬機(jī)主計(jì)算節(jié)點(diǎn)經(jīng)ARINC-429總線和離散數(shù)字量線路匯集至HGS計(jì)算機(jī)，計(jì)算處理后的圖形數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)輸送至頭頂投影裝置及教員監(jiān)視器。同時(shí)，HGS計(jì)算機(jī)持續(xù)通過429總線與模擬機(jī)主節(jié)點(diǎn)、投影裝置、控制面板（或MCDU）及HGS信號(hào)牌等前端設(shè)備保持交互。HGS計(jì)算機(jī)由模擬機(jī)供電線路取的28V直流電，除自身使用外，內(nèi)部轉(zhuǎn)換為±32V、±15V直流電，供給投影裝置和合成儀使用。

在模擬機(jī)訓(xùn)練中，為了使教員能夠?qū)崟r(shí)查看飛行員對(duì)HUD的使用情況，在教員區(qū)域，會(huì)安裝專用的HUD監(jiān)視器。送往HGS投影裝置的視頻信號(hào)，通過特殊的視頻轉(zhuǎn)換裝置，將計(jì)算機(jī)的XYZ三分量視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為通用DVI信號(hào)，同時(shí)傳送至教員監(jiān)視器，以實(shí)現(xiàn)HUD投影圖像的實(shí)時(shí)重放。

早期的教員監(jiān)視器通常使用示波器或?qū)I(yè)CRT顯示器，隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)可以使用普通的商用液晶顯示器進(jìn)行替代。

HGS系統(tǒng)在模擬機(jī)使用中的穩(wěn)定性較好，集成完成后不存在復(fù)雜的維護(hù)需求，但如果出現(xiàn)以下問題時(shí)需加以關(guān)注：

在合成儀的視界范圍內(nèi)，通過調(diào)整飛行員座椅高度，應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)HGS影像的天地線、跑道中線與視景天地線、跑道中線的重合。此問題在安裝驗(yàn)收階段尤其需要注意。

控制面板上的跑道長(zhǎng)度單位一般為英尺，建議設(shè)置標(biāo)識(shí)提醒機(jī)組注意。

部件自身故障。在HGS計(jì)算機(jī)、控制面板、信號(hào)牌上一般都配置有故障提示燈。多數(shù)情況下，故障提示燈亮起時(shí)預(yù)示相應(yīng)部件故障。但對(duì)于不具備交換部件排查的客觀條件、或涉及投影組件等不便拆卸的設(shè)備時(shí)，還應(yīng)注意檢查計(jì)算機(jī)與投影裝置之間鏈路上的信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備及圖像調(diào)節(jié)附件（如SNU），是否存在XYZ分量補(bǔ)償?shù)钠啤?/p>

信號(hào)干擾。由于模擬機(jī)內(nèi)部走線空間狹小，很容易對(duì)視頻信號(hào)的傳輸造成電氣干擾，一般表現(xiàn)為監(jiān)視器圖像噪聲或失真，此時(shí)應(yīng)注意查找視頻線接頭及走線是否靠近干擾源。

軟件問題。由于HGS對(duì)于模擬機(jī)是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，對(duì)于航電數(shù)據(jù)交互而言基本算是“終端用戶”，所以在排除故障時(shí)能從模擬機(jī)的診斷系統(tǒng)里得到的信息很少。在處理涉及HGS實(shí)際功能的軟件故障時(shí)，可結(jié)合維護(hù)手冊(cè)、借助系統(tǒng)自身的測(cè)試功能——如使用控制面板上的TEST功能進(jìn)行系統(tǒng)自檢，還應(yīng)注意反饋給航電系統(tǒng)的變量是否在模擬機(jī)軟件系統(tǒng)內(nèi)有正確的體現(xiàn)。