淺析國外機載場面導引系統的發展高成志

摘 要：機載場面導引系統作為當前先進大型客機航空電子系統的重要組成部分，主要用于低能見度的場面運行，具有增強態勢感知、提高滑行性能、增加滑行安全性和減輕飛行員工作負擔的特點。文章在分析研究相關資料的基礎上，指出了當前機載場面導引系統的發展趨勢，為國內機載場面導引系統的發展方向提供參考。

關鍵詞：機載場面導引系統；態勢感知；滑行性能；滑行安全性。

1 基于EMM的AGS

1.1 EFB

EFB是一種駕駛員飛行輔助工具，美國聯邦航空局的咨詢通告AC120-76A對EFB的定義是：在駕駛艙/機場使用的電子顯示系統。最簡單便攜式EFB既可以和個人數字助手（PDA）兼容，用于顯示各種航行數據，進行各個飛行階段準備時計算和檢查，也可以執行一些基本的計算（飛機性能數據、油量計算等）[1]。

Jeppesen開發的EFB可提供空中和地面的綜合信息管理，大大提高飛機的運行效率。EFB有三種不同的構型：1類、2類和3類。2008年，Jeppesen獲得了FAA對2類EFB設備機場移動地圖（AMM）的批準。EFB在場面導引時可快速更新如通知飛行員（NOTAM）和路由信息等。飛機的位置估計描繪在下視的EFB面板的AMM上，用一藍色的三角表示。EFB還描繪了每條滑行道的名字，如此飛行員可以更好的感知飛機在機場場面的航道并進行預估。AMM有縮放功能，其精度大約為3～5米。

1.2 OANS

OANS在導航顯示器上以高精度的機場移動地圖為背景動態顯示飛機位置，使用機場地圖數據庫（AMDB）簡化了滑行操作，尤其在大型機場。AMDB是根據RTCA DO-272H和EUROCAE的ED-99標準開發的。在飛行操作期間，OANS運行飛行員查閱機場地圖，并準備好在選定機場的導航。從登機門滑出和滑到登機門所需的信息都顯示在下視面板上。OANS還提供剎車退出（BTV）和沖出跑道保護（ROP）功能。OANS通過給飛行員提供恰當的警戒信息，使飛行員可以成功避免潛在的跑道入侵和導航錯誤，如選錯機場場面的滑行道[1]。

2 基于HUD的AGS

SGS使用機場數據庫標識跑道或滑行道的中線和邊線，顯示虛擬的跑道中線、邊線、標記和其它疊加在真實滑行道、跑道和標識系統的符號[2]。這大大增強飛行員的態勢感知能力，提高操作效率和滑行性能，減輕工作負擔，避免潛在的跑道入侵。SGS可基于飛機已裝備的HGS，進行軟件升級即可實現。

2.1 符號集

SGS的畫面符號集包括：等角顯示區和非等角顯示區的符號。等角顯示區的符號包括：平顯顯示模式、飛機基準符、當前航向、滑行路徑線段標識、滑行路徑邊界符、滑行導引提示符、滑行路徑中線符、趨勢矢量和地速。非等角顯示區為一滑行態勢圖，符號包括：剩余滑行距離、滑行導引提示符、趨勢矢量、飛機符號、滑行路徑線段標識、滑行路徑虛中線、滑行路徑邊界直線和轉彎倒數告警。

當滑行導引提示符和趨勢矢量顯示在平顯的等角顯示區域時，末端表示的預計位置距離t1時刻飛機控制點的位置為200英尺，滑行路徑邊界符之間的距離為50英尺，滑行路徑中線符之間的距離為50英尺。當滑行導引提示符和趨勢矢量顯示在平顯的非等角顯示區域時，末端表示的預計位置距離t1時刻飛機控制點的位置為120英尺。

2.2 運行原理

飛機控制點位于左主起落架和右主起落架的中點。在t1時刻，滑行導引提示符和趨勢矢量顯示在平顯中。滑行導引提示符表示在t2時刻的期望位置。趨勢矢量表示基于t1時刻的飛機狀態從t1時刻到t2時刻的飛機控制點的預計路徑。趨勢矢量包括標識t2時刻飛機控制點的預計位置末端。這個末端被保持在滑行導引提示符的范圍內，以便飛機控制點可以在t2時刻到達期望位置。

在t2時刻，飛機控制點是由滑行導引指令確定的。導引指令是由運行在平顯計算機（HC）中的滑行導引算法根據飛機的當前位置、當前狀態（如：地速、航向和轉彎速度等）和輸入的已定義的滑行路徑計算出的。定義的滑行路徑（A*算法）是由表示在機場設施中的滑行路徑的線段或曲線連成的一系列位置點。滑行路徑可以存儲在HC的內存或數據庫中，也可以由HC從其它的機載數據庫系統獲取，或由位于機場設施中的數據系統發送到飛機。

3 基于“智能眼鏡”的AGS

近年來，由于航空電子技術和微處理器器件的飛速發展，用于航空領域的可穿戴顯示器（HWD）的研發逐步提上了日程。2002年，MicroVision公司推出了Nomad個人飛行顯示系統，這種采用頭箍式的近眼顯示器較為笨重，售價12000美元，并未真正發售。此外，Rockwell Collins、Honeywell和Garmin公司對HWD技術都比較看好，特別是在通用航空領域，前提是至少能呈現與傳統平顯相同的飛行數據以及對外界環境的指引信息，并能解決頭部位置跟蹤技術，如此HWD方能取代傳統的HUD。

NASA的蘭利研究中心研發了一款新的頭戴顯示器系統，主要用于跑道導航，因為大部分的飛機碰撞出現在跑道滑行期間。當飛行員戴上這款眼鏡（800×600像素，全色，60Hz刷新速率，亮度可調）時，飛行員的右眼可以看到疊加在鏡片上的虛擬的3D跑道和機場圖像，該圖像是實時更新的，并包含強調附近物體、跑道路線和該區域交通的標記。該眼鏡含有一個內嵌式的頭部跟蹤器，它可跟蹤飛行員環視擋風玻璃時的頭部運動，并將圖像調整到飛行員的視點。附加的語音控制和顯示的飛機自身參數信息，包含速度、姿態和航向，允許飛行員目視前方的跑道而無需低頭看下顯[3]。

NASA在蘭利研究中心的B757固定基面模擬器中，以美國芝加哥的奧黑爾國際機場為背景進行了2個場面運行地面仿真試驗，評估HWD是否能夠提供HUD一樣的性能和安全性。在試驗中對HWD的關鍵屬性進行了評估：用HWD提供滑行導航和態勢感知，使用HWD的全能視域進行離軸增強。結果表明，HUD和HWD實際上是等效的，HWD還需對在“極度條件”下的場面交通感知方面進行微小的改進，由于其不受限的視域。endprint

4 綜合的AGS

4.1 綜合的AGS構型

綜合的AGS構型主要有兩種：一種是基于EMM和HUD的AGS，由處于下視位置的EMM和飛行員頭部上方的HUD構成，其中HUD應具有SGS導引功能，SGS的符號集當前有三類，包括：基于指令導引的符號集，基于場景聯系的符號集和基于指令導引與場景聯系相結合的符號集[4]，這三種符號集在增強態勢感知、提升滑行性能、提高滑行效率、減輕工作負擔方面的首推基于指令導引與場景聯系相結合的符號集，其次是基于場景聯系的符號集，最后是基于指令導引的符號集；另一種是基于EMM和IG的AGS，由處于下視位置的EMM和飛行員戴的IG構成，其中IG應具至少具有機場跑道3D虛擬場景顯示、頭部跟蹤、語音控制和亮度調節等功能。

4.2 綜合的AGS性能比較

由文獻[5]可知，基于EMM和HUD的綜合AGS與基于EMM和IG的綜合AGS的在滑行性能、導航誤差、滑行入侵、所需導航性能和偶發事件五個方面進行了性能比較，具體情況下如：（1）在滑行性能方面，兩者的路徑誤差和滑行速度是相當的。但兩者在白天RVR為700英尺的條件下與夜間目視氣象條件下相比，路徑誤差要少5.2英尺，滑行速度快0.4節；（2）在導航誤差方面，兩者只會產生較小的導航誤差。較小的導航誤差指飛行員能立即發現并能校正現有航路上的誤差，較大的導航誤差指導致轉彎錯誤或轉彎失誤等態勢感知的喪失；（3）在滑行入侵方面，后者優于前者。滑行入侵是指與其他飛機發生碰撞或在其他飛機前面艱難地轉彎；（4）在所需導航性能方面，后者略優于前者。但兩者均不滿足ICAO對D類飛機在該能見度條件下95%的時間內偏離路徑中線的距離小于±7.2英尺的要求；（5）在偶發事件方面，兩者均能有效避免偶發事件。偶發事件指兩架飛機滑行時出現“nose-to-nose”的情形。

5 結束語

隨著機載顯示系統的技術發展，基于電子飛行包或下視顯示器等下視技術的AGS已有成熟應用，基于HUD的AGS也已開始應用，基于HWD的AGS也正在進行概念演示驗證。根據中國民航局發布的“關于引發平視顯示器應用發展路線圖的通知”[6]，到2025年國內所有在冊的民航客機都要裝配HUD，因此發展基于HUD的AGS將是近10年內的一個主流；隨著IG技術的快速發展以及在民航領域的探索應用，未來基于IG技術的AGS發展空間巨大，甚至有取代HUD的可能，但IG取代HUD首先要解決頭部跟蹤、延遲、視場、畫面擁擠和模糊、視覺調節和修正等問題，其次是微型光學部件設計和加工技術。

參考文獻

[1]Audrey GUILLOTON， Jean-Pierre ARETHENS， Christophe MACABIAU， Anne-Christine ESCHER， Damien KOENIG. STATE OF THE ART IN AIRPORT NAVIGATION[Z]. 2011 IEEE/AIAA 30th Digital Avionics Systems Conference （DASC）， Seattle ： United States （2011）.

[2]Armstrong et al， Aircraft Surface Operations Guidance on Head-up Display[Z].US 7，382，284 B1， United States Patents， Jun.3， 2008.

[3]Randall E. Bailey， Kevin J. Shelton and J.J. （Trey） Arthur III. Head-Worn Displays for NextGen[Z].

[4]Wilson， J.R.， Hooey， B.L.， Foyle， D.C. & Williams， J.L.， Comparing Pilot's Taxi Performance， Situation Awareness and Workload Using Command-guidance， Situation-guidance and Hybrid Head-up Display Symbologies[Z].Proceedings of the 46th Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomic Society， 2002.

[5]Jarvis （Trey） J Arthur III， Lawrence J Prinzel III， Kevin J Shelton， Lynda J Kramer， Steven P Williams， Randall E Bailey and Robert M Norman. Synthetic Vision Enhanced Surface Operations with Head-Worn Display for Commercial Aircraft[Z].

[6]民航發[2012]87號. 關于引發平視顯示器應用發展路線圖的通知[Z].

作者簡介：高成志，男，工程師，大連理工大學，研究方向：航電系統。

王麗君，女，工程師，西北工業大學，研究方向：系統安全性分析。endprint