讓飛行“視”界大不同

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、計算機和電源等組件，通過投影技術將飛機的主要飛行信息投射在無窮遠處，與外部世界的視像實現疊加，使駕駛員可以保持平視姿態完成以往需要低頭查看儀表顯示才能完成的各種飛行動作。

平視顯示技術源于軍用戰斗機，20世紀80年代初開始應用于民航，后來也陸續引入到汽車行業。我們經常見到一些高檔汽車裝有HUD，可以顯示簡單的車輛信息，如速度、油量等，也可以融合導航信息來引導汽車行駛。

HGS是平視指引系統（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在低能見度運行條件下設計的一個高度集成的寬視野平顯系統。與普通車用HUD最大的區別是，HGS能夠為飛行員提供經過精密計算的飛行指引，如滑跑指引、拉平指引等。

由于HUD的功能特點，使其在民航飛機的使用過程中具有很大的優勢，如無須低頭察看儀表即可感知外界環境信息和飛機的姿態、導航信息，增強飛行情景意識；縮小飛行技術誤差；有助于實施穩定進近；減少重著陸和擦機尾事件的發生；為空中交通防撞系統、風切變及非正常姿態等狀況提供識別和改出指引；改善全天候運行和航班正常性；提高對速度和加速度的感知能力，加強對速度和加速度的管理；提供著陸減速信息，減少制動組件磨損；精確預測接地點，提供擦機尾警告、非正常姿態改出信息，提高飛行品質，提升安全性的同時節省燃油。舉例來說，在提高接地性能方面，使用HGS系統的接地點區間比不使用HGS系統的接地點區間更加集中、穩定，極大提高了飛行的安全性。

HUD的前世今生

HUD的前身是使用在戰斗機上的光學瞄準器。這種瞄準器利用光學反射原理，將環狀的瞄準圈光網投射在座艙前端的一片玻璃或者是座艙罩上面。投射的影像對于肉眼的焦距是定在無限遠的距離上面，當飛行員瞄準目標的時候不會妨礙到眼睛的運作，維持清晰的顯示。這種瞄準器最早出現在第一次世界大戰期間，到了第二次世界大戰的時候開始被廣泛應用。

HUD誕生的最關鍵標識是使用電腦處理航電信息，將轉換后的資料傳遞給HUD的顯示單元，再將影像投射到前方的玻璃上。20世紀60年代，HUD開始在美國的軍用戰斗機上安裝使用。第一架使用HUD的飛機是美國海軍的A-5艦載機。

HUD在民用航空上的應用是在1975年法國達索飛機公司使用在水星Mercure飛機上。20世紀70年代晚期麥道MD-80系列飛機上開始采用HUD，之后開始普遍化，除了美國本身以外，其他國家也陸續購買或者是研發相關的系統。1987年羅克韋爾·柯林斯公司成功開發民用HGS，成為波音系列飛機可靠的HUD供應商。

HUD技術經過在國際民航業近40年的發展，如今已經十分成熟可靠，得到了國際民航組織的認可，并取得了廣泛的應用。據統計，目前國際上已有25個國家的40多家航空公司采用這項技術，超過4000多架飛機安裝了該設備。波音787飛機標配了雙套平顯系統，在空客A350和A380飛機上，航空公司也可選裝HUD指引系統。美國聯邦航空局鼓勵航空公司使用這項新技術提高安全運行水平，并已經完成764個機場的儀表著陸系統的改造和降低運行最低標準。

目前，這一技術在我國尚未得到全面推廣，因為大多數飛機都沒有安裝這一設備。針對這一現狀，我國民航局已經公布了相應的政策與運行標準，鼓勵航空公司在未來幾年內為其機隊安裝并使用這一技術，目的是推動該技術在我國民航的應用，提升飛行安全水平。根據民航局公布的《中國平顯技術應用路線圖》，到2015年，10%的航空公司現役機隊需裝載平視顯示器；到2025年，所有航空公司的飛機都要配備平視顯示器。

山東航空公司作為國內首家在飛機上安裝HGS的公司，在2005年引入該系統，隨后經過了4個運行階段，在手冊體系建立與HGS資格訓練、基于HGS的II類補充運行合格審定、利用HGS實施II類運行、在I類跑道使用HGS實施特殊批準的I類運行或II類運行直至Ⅲ類運行方面積累了豐富的實踐經驗，不但增強了安全水平而且極大地提高了公司的運行能力，真正實現了HGS為公司創收效益最大化。

截至2014年3月，山航運營飛機共計75架，其中已在57架波音737NG飛機上安裝了羅克韋爾·柯林斯HGS 4000型HUD設備；根據我國民航飛行標準及成本考慮，山航在不降低功能的前提下，在波音737NG飛機上選擇了左座單套HGS的構型。在飛行時，左座主飛跟蹤指引信號，右座監視常規儀表和HGS系統信號牌。山航培訓部也已為2臺波音738全動模擬機加裝了左座單套的HGS 4000型設備。

HUD未來發展趨勢

新一代的HGS還增加了增強視景系統EVS（Enhanced Vision System）。這是另一項國際先進的飛行新技術，已經被國際民航組織作為未來推廣的新航行系統認可。它利用攝像機拍攝由前視紅外線或毫米波雷達探測到的圖像信息，將外部環境的實時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，向飛行員提供機場跑道、周圍地形和障礙物特征的實時圖像，使整個飛行視野更為清晰可見，為飛行員實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（SVS）在HGS系統中的應用。SVS基于獨立的地形、跑道和障礙物數據庫，以飛行員的視角提供由計算機產生的外部環境視圖。其圖像是由電腦繪制的實時圖像，能夠真實反映外部環境。目前，SVS著陸應用法規已經在美國生效。

將增強視景系統（EVS）植入合成視景系統（SVS），則形成了組合視景系統（CVS）。對于這一系統，EVS和SVS的數據源可以由飛行員根據實時效果自由選擇。

根據民航局公布的《平視顯示器應用發展路線圖》，到2020年，我國將有50%的飛機具備EFVS應用條件；2021年，全國所有適用機場將公布EFVS運行最低標準；2025年，所有飛機都將具備EFVS應用條件。

HGS的技術原理（以波音737機型為例）

HGS系統主要包括5個航線可更換組件LRU和相應的電纜、接插件、固定機構，在飛機上，其計算機安裝在電氣電子艙中，其它4個組件安裝在駕駛艙內，它們分別是：

HGS計算機（HC），負責從航電系統總線和飛機傳感器接收飛行數據并且把此數據轉換成符號；

控制面板（HCP），它安裝在座艙儀表板區域，用來選擇HGS的工作模式，設置下滑角度、跑道長度、標高等參數，進行系統自身維護和診斷等；

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和把符號圖像投影到組合以上的光學投影組件；

組合儀（Combiner）：它安裝在左前風擋玻璃的上底梁結構上，使飛行員在看風擋玻璃外的景象時也可以看到OHU投影來的飛行符號；

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

HGS系統的成像主要是光學濾波反射原理。HGS計算機把飛行符號信號轉化生產成圖像信號，經過信號放大電路等來驅動OHU頭頂組件進行投影。頭頂組件的陰極射線管CRT或液晶設備LCD對組合儀的玻璃板進行投影成像。組合儀的玻璃鏡片實際上是個波長選擇鏡，它可以反射OHU投射來的特定波長的顏色光到飛行員的視點，也同時可以讓玻璃鏡片前方外界其他顏色的光通過玻璃鏡片進入到飛行員視點。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，核心為單個的單色LCOS微型顯示器，LED照明器采用高亮度綠色LED和一個非成像光學系統，對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，進一步提高了對比度和效率。

HGS主要具有5種工作模式：主顯示模式PRI，該模式應用于低能見度的起飛，典型的起飛、爬升、巡航、下降、進近和著陸；三類進近模式AⅢ，該模式應用于精密進近和著陸，是專為三類最低標準人工ILS進近和著陸運行設計的；滑跑模式RO，該模式可以提供滑跑指引；儀表氣象條件IMC進近，該模式用于自動駕駛儀或飛行指引儀進近；目視氣象條件VMC進近，用于目視進近。

HGS系統主要是為飛行員提供符號式的飛行指引和狀態指示。它在工作中的指示符號按組來分類，主要有飛機基準符號、軌跡符號、迎角符號、航向和航跡符號、速度符號、高度符號、側滑符號、導航符號、工作模式和告警符號、三類進近符號、飛行指引和自動駕駛符號、TCAS符號。在不同的工作模式，顯示的符號內容也是不一樣的。

HGS在模擬機中的使用

目前模擬機對HGS系統的集成，主要還是基于幾個核心航材件來實現。由于模擬機是計算機軟件模擬、I/O接口電路驅動的仿真飛行系統，HGS系統所需的各種航電數據，都經由模擬機主計算節點經ARINC-429總線和離散數字量線路匯集至HGS計算機，計算處理后的圖形數據由計算機輸送至頭頂投影裝置及教員監視器。同時，HGS計算機持續通過429總線與模擬機主節點、投影裝置、控制面板（或MCDU）及HGS信號牌等前端設備保持交互。HGS計算機由模擬機供電線路取的28V直流電，除自身使用外，內部轉換為±32V、±15V直流電，供給投影裝置和合成儀使用。

在模擬機訓練中，為了使教員能夠實時查看飛行員對HUD的使用情況，在教員區域，會安裝專用的HUD監視器。送往HGS投影裝置的視頻信號，通過特殊的視頻轉換裝置，將計算機的XYZ三分量視頻信號轉化為通用DVI信號，同時傳送至教員監視器，以實現HUD投影圖像的實時重放。

早期的教員監視器通常使用示波器或專業CRT顯示器，隨著技術的進步，目前已經可以使用普通的商用液晶顯示器進行替代。

HGS系統在模擬機使用中的穩定性較好，集成完成后不存在復雜的維護需求，但如果出現以下問題時需加以關注：

在合成儀的視界范圍內，通過調整飛行員座椅高度，應可以實現HGS影像的天地線、跑道中線與視景天地線、跑道中線的重合。此問題在安裝驗收階段尤其需要注意。

控制面板上的跑道長度單位一般為英尺，建議設置標識提醒機組注意。

部件自身故障。在HGS計算機、控制面板、信號牌上一般都配置有故障提示燈。多數情況下，故障提示燈亮起時預示相應部件故障。但對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備時，還應注意檢查計算機與投影裝置之間鏈路上的信號轉換設備及圖像調節附件（如SNU），是否存在XYZ分量補償的漂移。

信號干擾。由于模擬機內部走線空間狹小，很容易對視頻信號的傳輸造成電氣干擾，一般表現為監視器圖像噪聲或失真，此時應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對于模擬機是相對獨立的系統，對于航電數據交互而言基本算是“終端用戶”，所以在排除故障時能從模擬機的診斷系統里得到的信息很少。在處理涉及HGS實際功能的軟件故障時，可結合維護手冊、借助系統自身的測試功能——如使用控制面板上的TEST功能進行系統自檢，還應注意反饋給航電系統的變量是否在模擬機軟件系統內有正確的體現。