使用HUD在特殊Ⅱ類機場運行的研究

向小軍，高 升

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

0引 言

HUD是英文h ead－up－display的縮寫，中文名稱為平視顯示器。HUD最早應用于軍用作戰飛機，作為武器瞄準工具在19世紀50年代出現。到了20世紀80年代羅克韋爾·柯林斯首次將HUD技術應用于商用飛機。90年代美國FAA在其國內推進該項技術的應用，并公布了相關運行標準。我國民航從2003年開始跟蹤美國FAA的規章標準，建立中國民航運行標準。山東航空公司也從2005年開始使用HUD實施試運行。經過10年的研究與實踐，山航已經獲得了使用HUD進行標準Ⅰ類運行、特殊Ⅰ類運行和標準Ⅱ運行的審批，并且積累了大量的經驗與成果。這也為中國民航在推進HUD這項新技術的應用提供了經驗。

經過10年的推廣和試點，HUD給航空公司運營帶來的安全及經濟效益開始顯現并逐漸被業內人士所認可。2014年10月中旬，在民航局飛標司主持下分別在青島和上海召開低能見度運行會議。會議的主要目的是討論部署使用HUD實施特殊Ⅱ類運行的工作。會議決定在青島機場由山東航空公司使用波音承擔試運行工作，在上海浦東機場由東方航空公司使用空客飛機承擔試運行工作，并確定了公司、機場、空管局、民航監管局等單位的工作及完成的時間節點。HUD對中國民航來說還是一種新技術，國內對使用HUD運行的研究成果還相對較少，故在實際運行中還有許多問題需要研究。

1 HUD簡介

HUD是一種能把關鍵飛行數據投射到飛行員正前方透明玻璃板上的顯示系統。它主要由經過特殊處理的顯示組件、頭頂投影儀、計算機、控制組件等組成，安裝在駕駛艙中與飛機的儀表著陸系統接收機、飛行管理系統（FMS）、高度表、速度表、飛行控制系統、機載防撞系統（TCAS）、風切變告警（GPWS）等系統相連。也就是說HUD與傳統儀表的數據來源完全一致，且HUD將所接收信號經過處理顯示為圖形信息更為形象和靈敏。柯林斯公司研發的平視顯示器引導系統在波音737駕駛艙的布局如圖1所示。

圖1 HUD在駕駛艙中的布局

顯示組件位于座艙前端，高度大致與飛行員的眼睛成水平，投射的文字和影像調整在焦距無限遠處，飛行員透過HUD往前方看的時候，能夠將外部視景與HUD顯示的信息融合在一起。飛行員不需要低頭查看傳統儀表，始終保持抬頭的姿態，降低低頭與抬頭之間忽略外界環境的快速變化以及眼睛焦距需要不斷調整產生的延遲與不適。成像系統的工作原理如圖2所示。

圖2 HUD成像原理

HUD將來可以與PBN、EVS等技術相融合，HUD和EVS的結合，是HUD發展的主要方向。增強視景系統（EVS）通過圖像傳感器獲得外部景象的電子實時圖像，將信息顯示在HUD上，或獨立使用，向飛行提供跑道特征（例如：跑道照明）以及周圍地形和障礙物特征的圖像，提高夜間和低能見度條件下飛行時的情景意識。

2 使用HUD實施特殊Ⅱ類運行的意義

中國民航航空運輸系統，在快速發展過程中面臨著諸多挑戰，主要包括空域受限、機場容量飽和、運輸總量大幅度增長、飛機機隊數量快速增加等因素。航空公司和機場的安全和運營壓力增大。

航空公司壓力增大，一是機隊數量快速增加，致使在飛行安全和運行管理方面的壓力越來越大；另一方面旅客出行對航班正點率的要求與航空公司可供駕駛員應對復雜地形機場和天氣能力的訓練手段單一，以及航空公司在低能見度運行的投入成本少，導致實際運行壓力的增加。

機場運行保障壓力增加，目前我國具備低能見度運行條件的機場數量不足，Ⅱ類機場只有4個，無Ⅲ類機場。按照傳統方式對現有I類機場作II、Ⅲ類運行標準的升級改造資金投入量大、技術難度高。當出現嚴重影響飛行運行的天氣時，航班大面積延誤和機場旅客滯留等導致運行壓力增大。現有機場在基礎設施投入和地面運行保障方面能力不足，同時現有運行方式對地面設施的依賴程度高，導致地面運行保障面臨很大壓力。特殊機場受地形和地理條件的影響，傳統陸基導航設施難以滿足運行需要，且投資巨大，維護成本高。在實際飛行過程中，駕駛員難以建立對外界環境的有效監控。

HUD是解決上述問題的有力工具。特殊Ⅱ類運行是指飛機利用HUD技術在機場Ⅰ類儀表著陸系統上實施RVR350米／DH30的運行，即機場設施低于國際民航標準。使用HUD可以提高飛行員的飛行品質：

（1）增強飛行情景意識，飛行員通過HUD平視組合顯示器獲得飛行狀態信息，無需再低頭看常規儀表，極大地增強了飛行員的情景意識，防止丟失飛行狀態。

（2）減少飛行技術誤差，以柯林斯的HGS 為例變常規儀表的飛機姿態指引為軌跡指引，而且信號靈敏度高，飛行員視野廣，可以與目前正在推廣的RNP技術有機地結合起來，最大限度地提高了人工操縱的飛行諸元精度，能減少飛行技術誤差。

（3）有助于實施穩定進近，減少重著陸和擦機尾事件的發生。根據山航運行統計，使用HUD運行整體三級事件發生率明顯下降，如圖3所示使用HUD運行三級事件發生率為5．44%，不使用HUD三級事件發生率為6．94%，使用HUD后三級事件發生率降低了21．6%。使用HUD發生的三級事件中有許多是飛行員對HUD的使用不夠嫻熟造成的。

圖3 三級事件發生率比較

（4）能夠精確預測接地點，Ⅰ類ILS信號在190英尺（約57.9米）以下就不再可靠。以HGS為例當飛機以AⅢ模式下進近到離地面190英尺時系統就開始比較計算出的趨勢下劃線與盲降信號，進近到140英尺就不再使用盲降信號，而是使用計算機計算出的引導軌跡，提高了接地點的準確性。

使用HUD運行能夠提高飛行運行品質，這也促使國際民航組織對其運行降低標準；即通過驗證批準可以在Ⅰ類盲降設備上實施特殊Ⅰ類運行、特殊Ⅱ運行甚至是Ⅲ類運行。這樣在節省大量的機場建設改造費用的情況下，能提高航班正常率，增加航空公司經濟效益。目前國內多家航空公司已具備實施特殊Ⅰ類運行的資質；山航作為國內HUD試點單位，已有10年的HUD運行經驗，具備了RVR200米起飛能力。據民航資源網消息，2015年2月26日濟南機場大霧天氣，能見度持續降低，最低至RVR（跑道視程）100米左右，遠低于濟南機場最低起飛標準RVR400米的要求。上午10：00，跑道RVR升至200米，山東航空公司由B－5781飛機執行的SC1177航班使用HUD RVR200米起飛程序安全起飛。這是中國民航歷史上首次實現運用HUD技術在RVR200米條件下起飛，對提高民航運行能力具有深遠意義。

3 使用HUD實施特殊Ⅱ類運行要解決的問題

通過上文可知使用HUD能夠提高飛行運行品質和運行能力，但是使用HUD實施特殊Ⅱ類運行還需注意以下幾個問題。

（1）要注意航向信標臨界區和敏感區的保護，臨界區和敏感區如下圖所示。臨界區內要求無障礙物，也不應有任何地面交通活動。敏感區是比臨界區更大的一片區域，實施特殊二類運行時，未經許可的航空器和車輛不應進入敏感區，同時等待位置應在敏感區外。一些比較老的機場要對敏感區保護可能會存在一些問題，對于新建機場在規劃設計時應考慮到臨界區和敏感區的保護。

圖4 臨界區

圖5 敏感區

（2）要重新對飛行程序進行評估。要按二類精密進近程序評估標準對各個進近復飛程序進行評估，檢查是否滿足超障要求。

（3）對燈光系統和輔助設備的要求主要包括：要有簡易燈光系統或帶有順序閃光燈的Ⅰ類進近燈光系統；一秒鐘切換的電源及燈光監視系統；接地區RVR。

（4）現在機坪區域要劃歸機場指揮，故機組、空管、機場三方要建立順暢實時信息交流通道，協同好地面與空中的間隔。

（5）實施特殊Ⅱ類運行，要面臨的一個重要問題是建立地面運行程序。現如今在低能見度條件下實施起降的飛機數量有限，可以采取使用followme車引導的方式引導飛機滑行，但是在使用HUD后航空公司低能見度運行能力得到提高，機場流量回大幅提高。如果單純依靠followme車引導的方式就不能滿足要求了。所以建立機場先進的地面引導和監視系統是一個亟待解決的難題。

4 總結與展望

HUD在民航的推廣應用將會提高飛行員的飛行品質，使飛行變得更加簡單；同時也能提高航空公司在低能見度下的運行能力，提高經濟效益。同時HUD在中國民航的推廣應用也不是一件可以一蹴而就的事情，從2004年山航在一架波音737上加裝HUD到2015年獲得在青島流亭機場實施特殊Ⅱ類運行資質用了10年多的時間。中國民航在HUD的推廣應用中遇到了許多問題和困難，但是經過10多年的探索研究，我們對HUD有了更深的認識，也積累了許多研究成果和運行經驗，具備了在Ⅰ類儀表著陸設備上實施特殊Ⅱ類運行的能力。

HUD在中國民航的應用目前按照中國民航局發布的HUD應用路線圖穩步推進，其效益將會逐步顯現，未來將會實現HUD的特殊Ⅲ類運行，中國民航的全天候運行能將會得到極大提高。同時如文章第3部分所述，在HUD的應用中還有一些問題需要研究解決。

［1］費益，季小琴，程金陵．平視顯示系統在民用飛機上的應用［J］．電光與控制，2012（3）.

［2］楊秀芝．平視顯示器的設計［J］．福州大學學報：自然科學版，2000（4）.

［3］劉小磊．民航領域 HUD 技術淺析［J］．科技資訊，2014（13）.