平視顯示系統在民用飛機上的應用

費 益， 季小琴， 程金陵

(中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 200436)

0 引言

平視顯示(Head Up Display，HUD)最早是應用在戰斗機上的一項技術［1］，它將各種飛行參數和武器瞄準信息等以字符和圖像的方式通過準直光學系統，投影到飛行員眼中。近10年來，平顯系統開始廣泛應用于民用飛機，然而，民用飛機的平顯系統與軍用飛機在系統組成、架構上都存在較大區別，尤其是在適航符合性上，對民用飛機平顯系統的設計、安裝都提出了非常嚴格的要求。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(Enhanced Flight Vision System，EFVS)，它使飛行員在觀察平顯上飛行參數的同時，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 平視顯示系統的組成

民用飛機的平顯系統通過飛行員頭頂的一部投影裝置，將經過篩選處理的一些重要飛行數據投影在位于風擋和飛行員頭部之間的一塊特殊光學透明玻璃上，飛行員不需低頭就可以從這塊玻璃上獲取重要的飛行數據，又可以透過這塊玻璃和風擋看駕駛艙外，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、航向、空速、地速、高度和氣壓設置、垂直速度、風速和風向、風切變提示信息、低能見度起飛指引、滑行導引、增強視景。

平顯系統的主要組成部分包括5個外場可更換設備(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的數據信息進行綜合處理，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備(Integrated Modular Avionics，IMA)中。

若平顯系統采用獨立的計算機，則其重量、外形尺寸、連接器及安裝托架須滿足ARINC600規范，重量設計目標為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不會喪失全部功能，特別是在240 min內不能喪失關鍵功能。

2)投影裝置。

投影裝置是一個獨立的LRU，根據顯示像源的不同，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，經光學組件準直和校正后，投影到組合儀上，供飛行員觀察。

投影裝置的設計重量不應超過14 kg(30.8 lbs)，它從平顯計算機獲得電源，當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、導航及指引等信息，又能觀察飛機外部環境，從而減少了飛行員抬頭觀察和低頭看儀表之間的轉換，降低工作負擔。

組合儀的設計重量不應超過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)作為平顯系統的輸入裝置，用于亮度調節和符號簡化顯示選擇，其一般安裝在組合儀或遮光罩上。

HCP的設計重量不應超過1.35 kg(3 lbs)，它從平顯計算機獲得電源，當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的當前工作模式、工作狀態及相關告警等信息。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、高度、空速等主要飛行參數)或多功能顯示器(Multifunction Flight Display，MFD，通常用于顯示地圖、飛行管理、發動機參數、系統狀態等飛行數據)上，而系統失效或故障信息可顯示在中央警告系統中，所以一般不需要另外安裝平顯專用指示板。

2 平視顯示系統的架構

平顯系統根據不同飛機的安裝要求和系統配置，其架構也有所不同。同時，平顯系統的架構還受預定功能、安全性指標、航電系統架構、航電與非航電系統之間交聯方式等因素的影響，可靈活配置。一般民用飛機上的平顯系統有以下3種基本架構。

1)單平顯架構。

單平顯系統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。單平顯系統在設計時應確保系統工作模式和告警信息能被副駕駛看到。

單平顯系統的架構如圖1所示。

圖1 單平顯系統架構Fig.1 Single HUD architecture

2)雙平顯架構。

雙平顯系統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。雙平顯系統可經過適航審定將平顯作為PFD使用，當然，此時平顯系統需要在顯示格式與冗余管理等方面與下顯系統進行綜合。雙平顯系統在設計時應確保系統工作模式和告警信息能被非操作飛行員看到。

雙平顯系統有兩種工作方式:第一種工作方式下，平顯計算機驅動與它同側的投影裝置/組合儀;第二種工作方式下，平顯計算機驅動與它同側或對側的投影裝置/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。

雙平顯系統的架構如圖2所示。

圖2 雙平顯系統架構Fig.2 Dual HUD architectures

3)集成式平顯架構。

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

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

3 平視顯示系統設計和安裝準則

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

3.1 平顯系統與下顯系統的關系

平顯系統將各種重要飛行數據顯示在飛行員正前方的組合儀上，同時這些飛行數據也顯示在下顯系統(主要是PFD)上。為了防止飛行員在觀察平顯和PFD時產生理解上的障礙，也為了減輕飛行員視覺上的負擔，平顯系統一般應使用與同側PFD相同的數據源，并確保在顯示格式、內容和參數上與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)相關的信息必須顯示在同一個位置;3)數字輸出必須具有相同的精度、單位和標志;4)模擬刻度必須具有相同的范圍和動態操作;5)系統工作模式或狀態轉換提示除了顏色之外，均應一致。

3.2 平顯系統的人機交互

一般來說，平顯系統應設計成在整個飛行階段都可用。而在實際應用中，滑行、起飛、進近、著陸是平顯系統應用最為頻繁的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個階段也是最能發揮平顯優勢的飛行階段。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，平顯系統需要得到系統計算指引信息所需要的數據，例如跑道長度、接地區標高等。這些數據一般可以從飛管數據庫中獲取，而無須機組手動輸入。當確實需要機組通過HCP或鍵盤等設備手動輸入系統運行所需的參數時，系統應具備無效數據提醒功能。

平顯系統應能根據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字讀數代替，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保證飛行員能夠在不偏離設計眼位的情況下進行操作。

平顯系統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，則系統必須提供自動亮度調節功能。當平顯的字符上疊加了圖像顯示(如增強視景)時，系統還必須提供調節圖像亮度或圖像與字符之間對比度的手段。平顯系統的亮度調節應保證飛行員能夠在不偏離設計眼位的情況下進行操作。

平顯系統的開關控制提供給飛行員選擇使用或不使用平顯的手段。但是平顯的開關一般不需要設置一個單獨的按鈕，而是將開關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，平顯系統自動切斷電源，組合儀位于工作位置時系統自動接通電源。

3.3 平顯系統的安裝要求

平顯系統在駕駛艙中的安裝，除應滿足FAR25/CCAR25中規定的關于顯示系統的安裝要求外，同時還應滿足以下要求［3］:

1)系統的安裝應確保駕駛員頭部三維輪廓和最靠近的平顯系統結構之間的距離大于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校準，還要保證投影裝置與組合儀之間的校準;

3)安裝組合儀時也要保證其與機身軸向之間的光學校準。

當組合儀處在工作位置時，飛機擋風玻璃內表面和組合儀的任一部分之間的最小物理間隙應大于25 mm(1 in);當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換的過程中，不能與飛機風擋玻璃內表面有物理接觸。

4 平視顯示系統在民用飛機上的應用

目前，除波音和空客系列的客機基本已安裝平顯系統外，在支線航空領域，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列為必裝設備。國內使用平顯系統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飛機上的平顯系統為例，說明平顯在民用飛機上的應用與發展。

B737－800飛機裝備Rockwell Collins生產的Model 4000平視指引系統，這是一個單平顯架構的系統，該系統由5個LRU組成。平顯計算機安裝在電子電氣設備艙內;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，其投影裝置采用CRT像源;指示裝置裝在副駕駛側的儀表板上。

Model 4000的平顯上可以顯示以下信息:飛行姿態、異常姿態、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、導航信息、飛行指引、TCAS等。

B787飛機裝備的是Rockwell Collins生產的2200平顯系統，這是一個雙平顯架構的系統，其平顯計算機已經被集成到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平顯系統的專用控制只有符號調節和亮度調節兩種:符號調節控制開關位于操縱桿的外側，用于在全字符模式和防擁模式之間進行轉換，開關只控制同側的平顯;亮度調節有手動和自動方式，通過拔出和按下調節旋鈕在兩種方式之間切換，調節按鈕位于頂部板前部，左右兩側各一個。

從波音公司新、老兩代機型上安裝的平顯系統來看，平顯系統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，平顯系統的輸入與其他系統的輸入相結合，工作模式及告警通告等信息也在下顯系統中顯示，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。在平顯系統的功能上，從過去的以提供主飛行信息為主，到現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境下飛機的派遣率和降低著陸標準方向發展。特別是平顯系統與視景增強系統(Enhanced Vision System，EVS)的結合，形成增強飛行視景系統(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

5.1 系統組成

根據美國聯邦航空管理局定義，增強飛行視景系統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［4］。

增強飛行視景系統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視頻總線傳輸到平顯投影裝置，最終顯示在組合儀上。圖3所示為增強飛行視景系統工作原理圖，圖4所示為增強飛行視景系統的顯示效果。

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

圖4 增強飛行視景系統顯示效果Fig.4 EFVS display

5.2 系統功能

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

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看清和辨別目的跑道的參照物(如跑道燈)，駕駛飛機繼續進近至距離接地區標高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，飛行員在距離接地區標高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，否則就必須執行復飛。

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在適航取證過程中需要以專用條件的形式補充驗證內容，并與通用的適航條款一起納入系統的適航審定基礎。增強飛行視景系統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任務的安全性和能力;

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

4)其他與飛機相關的限制條件。

6 結束語

平視顯示系統在民用飛機上的應用越來越廣泛，然而相對于軍用飛機，民機上的平顯系統有著嚴格的適航要求。本文正是針對這一特殊性，對平顯系統的組成、架構、設計與安裝準則進行了詳細的闡述。

現代民用飛機上的平顯系統正朝著集成化、多功能化的方向發展。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的綜合來提高飛機的飛行品質。本文以具體的例子說明了平顯系統在民機上的應用與發展，并對平顯系統的擴展應用即增強飛行視景系統作了初步研究。

［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.