增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)在民用直升機(jī)上的應(yīng)用

高成志，于桂杰

（洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽471000）

隨著民用直升機(jī)在搜索救援、緊急醫(yī)療、公務(wù)執(zhí)法和滅火等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其執(zhí)行的任務(wù)越來越復(fù)雜，難度越來越大，這就需要迫切提升民用直升機(jī)的出勤率和安全性，而平視顯示器（HUD）或頭盔顯示器（HMD）與增強(qiáng)視景系統(tǒng)（EVS）組成的增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)（EFVS）可很好地滿足民用直升機(jī)的這個需求。由于民用直升機(jī)需要適航取證，要求EFVS 從設(shè)計(jì)之初就要將相關(guān)的適航法規(guī)、咨詢通告、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等需求考慮進(jìn)來，并在后期的設(shè)計(jì)方案中予以落實(shí)，并向局方和客戶提供充分的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1 組成

民用直升機(jī)的EFVS 系統(tǒng)通過機(jī)上安裝的HUD 或HMD，將關(guān)鍵的飛行參數(shù)信息、導(dǎo)航信息、導(dǎo)引信息與EVS提供的增強(qiáng)視景圖像疊加顯示在HUD 的組合玻璃上或HMD 的鏡片上，使飛行員在保持平視操縱直升機(jī)時，既可以獲取關(guān)鍵的飛行數(shù)據(jù)，又可以獲取飛機(jī)前方的視景，尤其是低能見度條件下的增強(qiáng)飛行視景。HUD 或HMD 上顯示的信息包括速度、高度、姿態(tài)、航向、垂直速度、風(fēng)速和風(fēng)向、低能見度進(jìn)近導(dǎo)引、增強(qiáng)視景等。

直升機(jī)的EFVS 的主要組成包括HUD 或HMD、EVS、處理設(shè)備、輸入設(shè)備、指示設(shè)備[1]。

1.1 處理設(shè)備

處理設(shè)備接收大氣數(shù)據(jù)機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)等航電數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理，生成符號信息，并與EVS 生成的增強(qiáng)視景圖像進(jìn)行疊加處理，以標(biāo)準(zhǔn)的視頻格式信息送至HUD 或HMD 進(jìn)行顯示。處理設(shè)備既可以是獨(dú)立的外場可更換組件（LRU），也可以是綜合模塊化航電設(shè)備（IMA）中的幾個模塊。

1.2 HUD 或HMD

HUD 或HMD 是一個獨(dú)立的LRU，接收處理設(shè)備生成的標(biāo)準(zhǔn)視頻信息，經(jīng)過光學(xué)組件準(zhǔn)直和校正后，投影到組合玻璃或光學(xué)鏡片上供飛行員觀察，使飛行員在觀看外景的同時，又能獲取關(guān)鍵的飛行參數(shù)信息，減少了在抬頭觀察外景和低頭俯視儀表之間的轉(zhuǎn)換，大大降低了飛行員的視力疲勞，減輕了其工作負(fù)擔(dān)。

1.3 EVS

EVS 也是一個獨(dú)立的LRU，利用前視紅外傳感器實(shí)時獲取飛機(jī)前方外景圖像，其能在夜間及雨、雪、霧、霾等低能見度下增強(qiáng)飛行能見度，使飛行員看清飛機(jī)前方的跑道、障礙物等。

1.4 輸入設(shè)備

輸入設(shè)備主要用于HUD 或HWD 的亮度調(diào)節(jié)、對比度調(diào)節(jié)、EVS 畫面疊加、防擁等控制，以及EVS 的光窗加熱、增益、非均勻校正（NUC）等控制。HUD 的輸入控制一般有獨(dú)立的控制面板；HMD 的輸入控制既可以集成到盔體上，又可以集成到專用的控制面板上；而EVS 的輸入控制既可以集成到多功能顯示器（MFD）上，又可以集成到專用的控制面板上。

1.5 指示設(shè)備

指示設(shè)備用于向機(jī)組通告EFVS 系統(tǒng)的當(dāng)前工作模式、工作狀態(tài)及相關(guān)告警信息。HUD 或HWD 的指示設(shè)備上的信息既可以顯示在主飛行顯示器（PFD）或多功能顯示器（MFD）上，又可以顯示在專用的控制面板上。

2 架構(gòu)

EFVS 根據(jù)不同的直升機(jī)安裝要求和系統(tǒng)配置，其架構(gòu)也有所不同。同時，EFVS 的架構(gòu)還受客戶預(yù)算、使用維護(hù)成本、預(yù)期功能、安全性指標(biāo)、航電系統(tǒng)架構(gòu)等因素的影響。當(dāng)前，民用直升機(jī)上的EFVS 系統(tǒng)有基于HUD 的架構(gòu)和基于HWD 的架構(gòu)兩種基本架構(gòu)，但基于HUD 的架構(gòu)又可以細(xì)分為3 種子架構(gòu)，即基于單HUD 的子架構(gòu)、基于雙HUD的子架構(gòu)和基于HUD 的集成式架構(gòu)，而基于HWD 的架構(gòu)又可以細(xì)分為3 種子架構(gòu)，即基于單HMD 的子架構(gòu)、基于雙HMD 的子架構(gòu)和基于HMD 的集成式架構(gòu)，下面僅給出基于HMD 的3 種子架構(gòu)描述。

2.1 基于單HMD 的EFVS 架構(gòu)

基于單HMD 的EFVS 架構(gòu)包括1 臺HMD、1 臺EVS、1 臺處理設(shè)備、1 臺輸入設(shè)備和1 臺指示設(shè)備，HMD 和輸入設(shè)備安裝在正駕駛一側(cè)，EVS 一般安裝在機(jī)鼻上方或下方，處理設(shè)備安裝在電子設(shè)備艙，而指示設(shè)備安裝在副駕駛一側(cè)，確保副駕駛可以看到系統(tǒng)的工作模式和告警信息。該架構(gòu)一般用于輕型直升機(jī)、中型直升機(jī)等低成本機(jī)型。基于單HMD 的EFVS 架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于單HMD 的EFVS 架構(gòu)

2.2 基于雙HMD 的EFVS 架構(gòu)

基于雙HMD 的架構(gòu)包括2 臺HMD、1 臺EVS、2 臺處理設(shè)備、2 臺輸入設(shè)備，2 臺HMD 可以同時工作，其中一臺可以作為另一臺的指示設(shè)備，以確保系統(tǒng)的工作模式和告警信息可以被副駕駛看到。為降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，建議該系統(tǒng)的同側(cè)處理設(shè)備僅用于驅(qū)動同側(cè)的HMD。該架構(gòu)一般用于中型直升機(jī)、重型直升機(jī)等高成本機(jī)型。基于雙HMD 的EFVS 架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于雙HMD 的EFVS 架構(gòu)

2.3 基于HMD 的集成式EFVS 架構(gòu)

基于HMD 的集成式EFVS 架構(gòu)將處理設(shè)備集成到IMA中，此時EFVS 需要在顯示格式與冗余管理等方面與下顯系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

集成式EFVS 架構(gòu)減少了LRU 的數(shù)量和機(jī)上電纜，從而降低了設(shè)備重量和功耗，實(shí)現(xiàn)了EFVS 與下顯系統(tǒng)的信息共享，但集成式架構(gòu)僅用于重型直升機(jī)等高成本機(jī)型。

3 設(shè)計(jì)和安裝準(zhǔn)則

3.1 與下顯系統(tǒng)的關(guān)系

EFVS 主要向飛行員提供關(guān)鍵的飛行參數(shù)信息，確保飛行員可以平視操縱飛機(jī)，EFVS 中的HUD 或HWD 顯示的參數(shù)在顯示格式、內(nèi)容和參數(shù)上應(yīng)與同側(cè)的盡量保持一致，以縮短飛行員的判讀時間，從而減輕其工作負(fù)擔(dān)。但在進(jìn)近著陸階段，HUD 或HWD 可以提供飛行輔助引導(dǎo)指令，此時的顯示畫面可以與下顯有不同。

3.2 人機(jī)接口

EFVS 系統(tǒng)在整個飛機(jī)運(yùn)行過程中都可以使用，尤其是在低能見度和夜間條件下，在起飛、爬升、低空巡航、下降、進(jìn)近著陸過程中的作用比較顯著。EFVS 的輸入設(shè)備和指示設(shè)備需要根據(jù)該型直升機(jī)的駕駛艙顯示系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，HUD 的輸入設(shè)備應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在HUD 組合鏡上方，HWD 的輸入設(shè)備應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在盔體上，而EVS 的輸入設(shè)備盡量與顯示系統(tǒng)的輸入設(shè)備進(jìn)行集成，EFVS 的指示設(shè)備應(yīng)盡量與顯示系統(tǒng)的顯示界面進(jìn)行集成，目的都是為了方便飛行員對EFVS 的訪問，以及減少因加裝EFVS 對座艙布局的改動。

3.3 安裝要求

EFVS 的安裝除了需要滿足FAR27/CCAR27 或FAR29/CCAR29中規(guī)定的要求外，還需要滿足AC20-167A、AS8055、DO-315B 的相關(guān)規(guī)定，同時還需滿足以下要求：HUD 應(yīng)進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)，以確保其視軸與機(jī)軸保持一致；EVS 也應(yīng)進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)，以確保其視軸與機(jī)軸保持一致；HMD 在駕駛艙安裝定位組件時也需要進(jìn)行定位校準(zhǔn)，以確保其視軸與機(jī)軸保持一致[2]。

4 在民用直升機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

目前，空客的直升機(jī)、阿古斯塔的直升機(jī)、西科斯基的直升機(jī)都有一些機(jī)型裝備了EFVS，尤其是用于緊急醫(yī)療服務(wù)、搜索救援、執(zhí)法等任務(wù)的多用途直升機(jī)裝備較多，并逐漸擴(kuò)展到中大型直升機(jī)，但國內(nèi)現(xiàn)有的直升機(jī)還未裝備EFVS。本文以AS350 與AW169 直升機(jī)上的EFVS 為例，說明EFVS 在民用直升機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展。

AS350 直升機(jī)裝備了Saab 公司的HUD AviGuide[2]和Max-Viz 公司的EVS-1500[3]構(gòu)成的EFVS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于單HUD 的EFVS 系統(tǒng)。HUD 安裝在正駕駛頭部上方，處理設(shè)備安裝在電子設(shè)備艙，輸入設(shè)備集成到主駕駛側(cè)的多功能顯示器，而指示設(shè)備集成到副駕駛側(cè)的多功能顯示器。AviGuide 可以顯示速度、高度、姿態(tài)、航向、飛行航跡、風(fēng)速和風(fēng)向、扭矩、水平態(tài)勢指示器、飛行管道等信息，可以疊加顯示EVS 畫面，并具有防擁子模式，而且該系統(tǒng)具有合成視景系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。EVS-1500 安裝在駕駛艙外的正上方，其采用了低成本的長波紅外非制冷傳感器。

AW109 直升機(jī)裝備了Elbit 公司的HMD SkyVisTM 和Heli EVSTM 構(gòu)成的EFVS 系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)是基于單HMD 的EFVS 系統(tǒng)。SkyVisTM 由主駕駛佩戴，與之匹配的定位組件安裝在駕駛艙的恰當(dāng)位置，處理設(shè)備、輸入設(shè)備和指示設(shè)備均集成到下顯系統(tǒng)中。SkyVisTM 顯示的字符畫面與AviGuide 畫面類似，但在進(jìn)近著陸時，采用了BOSS（Brownout Symbology Set）的符號元素，大大提升了畫面的縱深感。在此基礎(chǔ)上，Elbit 公司還推出了無盔體的HMD——頭戴式顯示器（HWD）SKYLENTM，該顯示器去掉了HMD 的保護(hù)盔體，降低了傳統(tǒng)HMD 的質(zhì)量，減輕了飛行員的頸部負(fù)擔(dān)，佩戴舒適度更佳。Heli EVSTM 安裝在機(jī)頭下方，采用了低成本的長波紅外非制冷傳感器和微光電視傳感器，覆蓋長波紅外、近紅外和可見光波段，成像效果更佳。由于輕型、中型直升機(jī)空間相對狹小，安裝HUD 會占用飛行員寶貴的頭部活動空間，使飛行員的頭部易碰到HUD 而受傷，此外飛行員必須保持眼點(diǎn)在HUD 的眼盒范圍內(nèi)才能看到字符畫面，限制了飛行員對直升機(jī)側(cè)后方態(tài)勢的感知；HMD 可以有效克服這些問題，但同時也會帶來因長時間佩戴導(dǎo)致飛行員頸部勞損的問題，HWD 的出現(xiàn)可以有效克服這些問題，而且成本相對較低，將是未來的發(fā)展趨勢。EVS將由低成本的單波段傳感器向低成本多波段傳感器發(fā)展，從單波段圖像增強(qiáng)技術(shù)向多波段圖像增強(qiáng)、融合校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展。EFVS 的處理設(shè)備將由獨(dú)立的LRU 向IMA 方向發(fā)展，根據(jù)不同機(jī)型配置不同的系統(tǒng)架構(gòu)。隨著合成視景系統(tǒng)（SVS）技術(shù)的飛速發(fā)展，EFVS 與SVS 的結(jié)合應(yīng)用也日趨緊密，Elbit 公司的ClearVision[4]就包含了EFVS 和SVS，由于SVS 不受天氣條件、視場和距離指標(biāo)的限制，有效彌補(bǔ)了EVS 受視場和探測距離影響的不足，大大提高了飛行員的態(tài)勢感知能力，提升了飛行安全裕度。

5 小結(jié)

近年來，國外EFVS 的制造商在大力推廣其在民用直升機(jī)上的應(yīng)用，但民機(jī)直升機(jī)對EFVS 有嚴(yán)格的適航要求，本文針對這一特殊性，對EFVS 的組成、架構(gòu)、設(shè)計(jì)與安裝準(zhǔn)則進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。

隨著民用直升機(jī)航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，EFVS 的輸入與指示功能將集成到其他系統(tǒng)中，并與SVS 功能集成，提升直升機(jī)的安全飛行品質(zhì)。本文以AS350 和AW109 上裝備的EFVS 為例，給出了EFVS 在民用直升機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展。