某型飛機HUD系統試飛評估

李 暢* 魏國慶 張健偉

（中國商飛民用飛機試飛中心，201323）

0 引言

HUD（Head Up Display，平視顯示器）是一種可以把飛行數據投射到駕駛員正前方透明顯示組件上的系統，使駕駛員保持平視姿態獲取飛行信息。目前HUD已經成為民航客機的選裝設備，中國民航局在2012年8月發布了《平視顯示器應用發展路線圖》[1]（民航發[2012]87號），要求：到2025年，中國航空運營人應在所有審定合格的航空器上安裝并運行HUD。在國外，與HUD系統普及相匹配的試飛評估體系已經比較完備，但在國內該項試飛技術仍處于研究和發展階段。

本文將依據作者及其團隊對HUD系統試飛的理論研究和執行某型飛機HUD系統試飛評估的經驗，系統性介紹HUD系統試飛評估的實施條件、地面靜態顯示評估及全飛行剖面評定的方法，并給出相應評估結果、結論及建議。

1 試驗內容

1.1 試驗對象

該型飛機配備兩塊全息屏HUD，分別位于駕駛艙座椅設計眼位正前方。HUD顯示方式分為完整顯示方式和簡化顯示方式。完整顯示方式顯示符號及信息和主飛行顯示器（PFD，Primary Flight Display）基本相同，該方式用于飛行的大部分階段。簡化顯示方式取消了高度帶、速度帶和羅盤信息，僅提供數字顯示，避免干擾機組對外界情景的觀察判斷，通常僅用于起飛或復飛階段。

HUD系統試飛評估人員包括1位超過10 000飛行小時的資深飛行員、1位資深飛行教員和1名試飛工程師，試飛小組對該型飛機HUD系統進行了2個架次合計4個小時的試飛評估。

1.2 試驗方法

HUD系統試飛評估包括以下五方面內容：

1）HUD的硬件評估，包括HUD眼盒大小、亮度及控制、清晰度。

2） HUD顯示特性——起飛、離場，云底高1 000ft、能見度3km、靜風條件下的正常起飛和離場，試驗過程中保持AP斷開。

3） HUD顯示特性——IMC（Instrument Meteorological Condition，儀表氣象條件）正常機動，試驗過程中保持AP、AT斷開：

（1） 爬升、高度截獲（FD（Flight Director，飛行指引）接通）：起始高度10 000ft，速度250KIAS，以垂直速度+2 000±100ft/min的上升率爬升，爬升過程保持速度250±3KIAS，截獲目標高度14 000±50ft；

（2）下降、高度截獲（FD斷開）：起始高度14 000ft，速度250KIAS，以垂直速度 -2 000±100ft/min的上升率爬升，爬升過程保持速度250±3KIAS，截獲目標高度10 000 ±50ft；

（3）平飛加速（FD接通）：起始高度10 000ft，速度250KIAS，平飛加速至目標速度280±3KIAS，加速過程保持高度10 000±50ft；

（4）平飛減速（FD斷開）：起始高度10 000ft，速度280KIAS，平飛減速至目標速度250±3KIAS，減速過程保持高度10 000±50ft；

（5）航向截獲（FD接通）：當前航向基礎上改變航向90°±3°，保持坡度角 30°±2°，航向截獲過程保持高度10 000±100ft，速度保持250±3KIAS；

（6）航向截獲（FD斷開）：當前航向基礎上改變航向90°±3°，保持坡度角 30°±2°，航向截獲過程保持高度10 000±100ft，速度保持250±3KIAS。

4） HUD顯示特性——VMC（Visual Meteorological Condition，目視氣象條件）極限機動，使用正常控制率法則，保持AP斷開、AT接通：

（1） +40°俯仰角截獲：280KIAS穩定平飛，迅速拉桿至俯仰角+40±2°，然后恢復；

（2） -30°俯仰角截獲：230KIAS穩定平飛，迅速推桿至俯仰角-30±2°，然后恢復；

（3） 60°坡度角截獲：250KIAS穩定平飛，迅速壓桿至坡度角60±3°，然后恢復。

5） HUD顯示特性——手動 ILS（Instrument Landing System，儀表著陸系統）進近、著陸，AT和FD打開條件下的手動ILS（Instrument Landing System，儀表著陸系統）進近、著陸。

1.3 試驗矩陣

試驗實施矩陣見表1。

表1 HUD系統試飛評估試驗實施矩陣

2 試驗結果及分析

2.1 HUD硬件評估

HUD硬件評估測得HUD眼盒大小見表2。

表2 HUD眼盒大小

上表中的HUD眼盒相對較小，飛行員飛行操作中只有較小活動空間以保持對HUD上全部數據的獲取。這樣的設計容易使飛行員在較長時間手動飛行中感到疲勞。因此該型飛機作為中程航線運行的客機，在執行任務中HUD眼盒較小這點是不夠理想的，建議在后續設計改進中增大眼盒大小。

HUD的亮度調節旋鈕易達且操作容易，調節的精度和靈敏度都較好。防擁按鈕位于駕駛盤外側且容易控制。在最亮和最暗的光照條件下，HUD上的符號和字符無變形或模糊現象。HUD上的所有符號和字符都容易辨識。符號尺寸、直線、曲線均和顯示屏的分辨率匹配，且顯示良好。HUD的整體顯示特性對飛行員來說較好，能夠提供清晰的信息指示，其亮度及控制、清晰度是理想的。

HUD硬件評估中，其控制和不同亮度條件下的顯示特性是理想的，但是眼盒較小不夠理想，建議增大眼盒范圍。

2.2 HUD顯示特性——起飛、離場

試驗過程，兩名飛行員參照貝德福德工作負荷量表（Bedford Workload Scale），如圖1所示進行評分的結果均為3（下文試驗均按照該表評分）。兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括速度、俯仰角、高度），并按照其指示完成滑行、抬輪和起飛爬升。在完全參照HUD的條件下，飛行員能保持250KIAS的爬升速度并按照ATC（Air Traffic Control，空中交通管制）的指揮進行相應的離場機動。HUD在起飛和離場階段的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示和充足的態勢感知，能夠使其在可預見的飛行條件下完成預定的任務。因此HUD在起飛和離場階段的顯示特性是理想的。

2.3 HUD顯示特性——IMC條件正常機動

2.3.1 爬升、高度截獲（FD接通）

在該機動過程中，兩名飛行員的工作負荷評分分別為3和4。爬升過程垂直速度偏差為+50ft/min、速度偏差為-2KIAS，高度截獲過程有-30ft的超調量。三者偏差均在容差范圍內。試驗過程，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括速度、高度、垂直速度），并且這些參數在機動過程中無延遲。但是HUD上無發動機相關參數指示，尤其是發動機轉速信息，這是飛行過程中需要時常重點關注的推力參數，無該參數顯示，飛行員就需要不斷低頭查看 HDD（Head Down Display，下顯）上面的參數。這樣不僅增加了飛行員的工作負荷，而且在只參考HUD飛行的條件下無法精確機動。因此HUD在爬升、高度截獲（FD接通）機動中的顯示特性是基本理想的，但是缺失TPR（Total Pressure Ratio，總壓縮比）指示該點不理想，建議HUD上增加該參數顯示。

圖1 貝德福德工作負荷量表

2.3.2 下降、高度截獲（FD斷開）

在該機動過程中，兩名飛行員的工作負荷評分均為3。下降過程垂直速度偏差為-100ft/min、速度偏差為+3KIAS，高度截獲過程有+20ft的超調量。三者偏差均在容差范圍內。試驗過程，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括速度、高度、垂直速度），并且這些參數在機動過程中無延遲。HUD在下降、高度截獲（FD斷開）機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示，能夠使其在可預見的飛行條件下完成預定的任務。因此HUD在下降、高度截獲（FD斷開）機動顯示特性是理想的。

2.3.3 平飛加速（FD接通）

在該機動過程中，兩名飛行員的工作負荷評分分別為3和2。速度偏差分別為 +2KIAS和 +1KIAS，高度波動在20ft以內。三者偏差均在容差范圍內。試驗過程，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括速度、高度），并且這些參數在機動過程中無延遲。HUD在平飛加速（FD接通）機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示，能夠使其在可預見的飛行條件下完成預定的任務。因此HUD在平飛加速（FD接通）機動顯示特性是理想的。

2.3.4 平飛減速（FD斷開）

在該機動過程中，兩名飛行員的工作負荷評分均為3。速度偏差分別為-1KIAS和-3KIAS，高度波動在20ft以內。三者偏差均在容差范圍內。試驗過程，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括速度、高度），并且這些參數在機動過程中無延遲。HUD在平飛減速（FD斷開）機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示，能夠使其在可預見的飛行條件下完成預定的任務。因此HUD在平飛減速（FD斷開）機動顯示特性是理想的。

2.3.5 航向截獲（FD接通）

在該機動過程中，兩名飛行員的工作負荷評分分別為3和2。轉彎過程坡度角嚴格保持在30°，航向截獲偏差分別為+1°和-1°，整個過程速度偏差最大為-3KIAS，高度波動在20ft以內。四項參數偏差均在容差范圍內。試驗過程，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤坡度角、速度、高度，并且這些參數在機動過程中無延遲。但是，航向指針/航跡指示區域偏小，因此“航向指針”較難快速定位并讀數，而且容易與“選擇航向/航跡游標”混疊。雖然HUD上坡度角/側滑指示下方有數字航向，但是在動態滾轉過程中，較難與“航向指針”結合使用以準確截獲目標航向；此外，HUD數字航向顯示位置與PFD不同，因而還存在使用習慣上的差異。在航線飛行員執行預定任務過程中，HUD上較小的航向指示可能會增加其工作負荷或影響截獲目標航向的精度。因此HUD在航線截獲（FD接通）機動中的顯示特性是基本理想的，但航向指示較小不夠理想，建議對HUD上航向指示進行優化。

2.3.6 航向截獲（FD斷開）

在該機動過程中，兩名飛行員的工作負荷評分分別為4和3。轉彎過程坡度角嚴格保持在30°，航向截獲偏差分別為+3°和0°，整個過程速度偏差最大為-3KIAS，高度波動在70ft以內。四項參數偏差均在容差范圍內。試驗過程，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括坡度角、航向、速度、高度），并且這些參數在機動過程中無延遲。HUD在航向截獲（FD斷開）機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示，能夠使其在可預見的飛行條件下完成預定的任務。因此HUD在航向截獲（FD斷開）機動顯示特性是理想的。

在以上六種IMC條件正常機動中，飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數，并且這些參數在機動過程中無延遲。飛行員在只參考HUD的顯示參數，能夠在可預見的飛行條件下完成預定的任務。但是，HUD上缺少發動機轉速顯示，這會影響油門控制精度或導致飛行員頻繁低頭查看HDD進而增加其工作負擔，這點是不理想的，建議在HUD上增加發動機轉速顯示。另外，HUD上航向指示較小也不夠理想，可能增加機組工作負荷或影響截獲目標航向的精度，建議對HUD上航向指示進行優化。

2.4 HUD顯示特性——VMC條件極限機動

2.4.1 +40°俯仰角截獲

在該機動過程中，兩名飛行員對HUD顯示特性均感到滿意。在迅速拉起過程，俯仰角超過30°左右，HUD出現俯仰刻度V極限符號（向上），俯仰刻度壓縮顯示。當俯仰姿態超過35°左右，顯示格式變為圓形的復雜姿態。試驗過程中，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視俯仰角，并且有清晰的防止進入更大姿態提示，進入極端姿態后仍能獲得正確指示，整個過程顯示無延遲、扭曲或變形。HUD在+40°俯仰角截獲極限機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示和準確的態勢感知，能夠預防、提醒、指示飛行員進入極限俯仰狀態。HUD在+40°俯仰角截獲極限機動顯示特性是理想的。

2.4.2 -30°俯仰角截獲

在該機動過程中，兩名飛行員對HUD顯示特性均感到滿意。在迅速推桿過程，俯仰姿態小于-20°左右，HUD出現俯仰刻度V極限符號（向下），俯仰刻度壓縮顯示，同時變為圓形的復雜姿態。試驗過程中，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視俯仰角，并且有清晰的防止進入更大姿態提示，進入極端姿態后仍能獲得正確指示，整個過程顯示無延遲、扭曲或變形。HUD在-30°俯仰角截獲極限機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示和準確的態勢感知，能夠預防、提醒、指示飛行員進入極限俯仰狀態。HUD在-30°俯仰角截獲極限機動顯示特性是理想的。

2.4.3 60°坡度角截獲

在該機動過程中，兩名飛行員對HUD顯示特性均感到滿意。在迅速滾轉過程，坡度角大于55°左右，HUD由完整顯示方式變為圓形的復雜姿態。試驗過程中，兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視坡度角，進入極端姿態后仍能獲得正確指示，整個過程顯示無延遲、扭曲或變形。HUD在60°坡度角截獲極限機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示和準確的態勢感知，能夠提醒、指示飛行員進入極限俯仰狀態。HUD在60°坡度角截獲極限機動顯示特性是理想的。

在以上三種VMC條件極限機動中，飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數，進入極端姿態后仍能獲得正確指示，整個過程顯示無延遲、扭曲或變形。HUD在VMC條件極限機動的顯示特性能為飛行員提供清晰的指示和準確的態勢感知，能夠提醒、指示飛行員進入極限俯仰狀態。因此HUD在VMV條件極限機動顯示特性是理想的。

2.5 HUD顯示特性——手動ILS進近、著陸

試驗過程，兩名飛行員的工作量評分的結果均為3。兩名飛行員都較容易在HUD上找到、讀取并跟蹤監視關鍵參數（包括速度、俯仰角、高度、LOC（Localizer，航向道）、GS（Glidelope，下滑道）），按照其指示保持進近速度和穩定的3°下滑角，完成進近和著陸。但是，在進近階段，HUD上過多的顯示參數疊加在跑道視景上會對飛行員識別跑道及標志點產生干擾。對于航線飛行員使用HUD執行進近時，可能會由于HUD上過多的符號干擾影響著陸的精度或降低對跑道真實情況的感知。因此參照HUD執行進近是不夠理想的，建議對HUD進近階段的顯示進行精簡優化，在優化完成并驗證之前，建議參照PFD執行進近著陸。

3 試驗總結及建議

通過對該型飛機HUD顯示特性在設定的條件進行評估，評估小組認為HUD的總體顯示特性適合執行航線運行任務，除了以下四點需要改進優化：

1）HUD的眼盒較小，容易對飛行員較長時間手動飛行增加疲勞感；

2）HUD上無發動機轉速參數，會影響油門控制精度或導致飛行員頻繁低頭查看HDD進而增加其工作負荷；

3）HUD上的航向顯示較小，會增加飛行員工作負荷或影響航向截獲的精度。

4）進近階段，HUD上的參數過多，容易遮擋跑道視景，會影響著陸的精度或降低對跑道真實情況的感知。

針對以上四點問題，評估小組給出以下建議：

1）建議增大HUD眼盒范圍；

2）建議在HUD上增加發動機轉速參數信息；

3）建議優化HUD上的航向顯示方式；

4）建議優化進近階段精簡優化HUD上的參數信息，在完成并驗證之前，建議參照PFD執行進近著陸。

4 結論

HUD作為提升飛行操作精度、增強飛行員態勢感知能力的設備[3]將成為民航飛機的“標配”，但是作為其應用先決條件的試飛評估體系在我國尚未成型。本文率先提出并系統展示了民用飛機HUD系統的試飛評估方法，為我國民機HUD系統試飛研究提供了方向和參考。此外，本文對該型飛機HUD系統試飛評估的結論也可為民機HUD系統研制單位提供一定的指導和建議。