通航領域HUD技術淺析

韓洪松 劉俊國 謝曉波

摘 ?要：該文對平視顯示儀（HUD）進行了研究，重點研究了HUD技術在通航領域中的使用。通過回顧HUD技術的發展過程，突出強調了HUD在飛機上的使用價值。使用HUD顯著地提高了飛機的安全性能。特別是使用HUD還提高了民用飛機全天候飛行能力，從而提高航班準點率。總之，HUD技術以及HUD與新航行技術的結合在民用航空業具有十分重要的使用價值。

關鍵詞：HUD ?通航 ?民航 ?安全性能

中圖分類號：V24 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（c）-0066-03

Abstract： In this paper， head up display （HUD） has been studied， and the application of HUD technology in navigation field is mainly studied. By reviewing the development process of HUD technology， the application value of HUD in aircraft is highlighted. The use of HUD significantly improves the safety performance of the aircraft. In particular， the use of HUD also improves the all-weather flight capability of civil aircraft， thus improving the flight punctuality rate. In a word， HUD technology and the combination of HUD and new navigation technology have very important use value in the civil aviation industry.

Key Words： HUD; Navigation; Civil aviation; Safety performance

平視顯示儀（Head-up Display，HUD）也被稱為“平視顯示器”或“平視儀”。它方便飛行員透過外部視界查看重要的飛行信息。HUD可以提供的飛行信息有飛行參數、飛行姿態、著陸引導、導航信息、告警和警告顯示等。在飛行過程中，飛行員無須低頭俯視儀表，通過飛機前方視窗，就可以獲取駕駛所需要的信息。

1 ?HUD的發展過程

HUD技術的首次應用是在飛機上。在飛機駕駛艙引入HUD技術，不僅方便飛行員透過外部視界查看飛行信息，還可以提高飛機的安全性能。目前，這種具有高性能的技術已經被民航領域和汽車領域所采用。

1.1 HUD的使用價值

20世紀20年代，HUD最早以光學瞄準器的形式在飛機上被使用。當時，光學瞄準器借助光學反射的原理，環狀瞄準圈光網被投射在一片玻璃或駕艙罩上面，被投射的影像位于無限遠的距離，以不影響飛行員瞄準目標時眼睛的運作，從而獲得清晰的顯示。人們在30年代就已經研制出反射式光學瞄準具。1955年，英國皇家研究院在得到航空醫學院、蘭克、辛塔爾公司的支持下，首先提出HUD的研制方案。雖然采用的電子管和模擬式信息處理技術在當時只能顯示出兩個字符，但是信息顯示方案的可行性得到論證。1968年，英國埃利奧特公司研制的數字式HUD裝備美國飛機。

早期HUD只能實現顯示功能，直到20世紀70年代，HUD才具備字符發生器和瞄準計算雙重功能。那時HUD的字符發生器被改進為HUD顯示數字計算機。這樣，從大氣數據計算機、慣性導航系統等原始飛行信息輸入HUD，HUD就等同于小型武器瞄準系統，改變了原先從火控雷達輸入信號的輸入狀態。

目前HUD已被廣泛應用于飛機駕駛艙。HUD為飛行員提供飛行參數、飛行姿態、威脅告警等信息，提高了飛行員的安全駕駛能力。HUD的應用正朝著頭盔顯示器（Helmet Mounted Display，HMD）發展，即直接在飛行員頭盔前方的玻璃鏡上投射顯示所需的飛行參數、飛行姿態、威脅告警等信息。頭盔顯示器可結合全息波導顯示技術，采用集成化的全息波導元件以減少元件數量。2013年底，國外某公司研制出一款視場角為25°×20°的彩色全息波導頭盔顯示器，使顯示色彩更豐富[1]。2019年5月，王龍輝等人[2]報道了一種單色全息平板波導顯示系統的研究。該系統顯示視場角為18°×14°，出瞳距離為30mm，有望應用于新一代HMD顯示系統。

1.2 車載HUD

20世紀80年代，為了讓購車者更加安心信賴，當時汽車領域研究人員開始關注HUD技術。隨著1988年首次在汽車上的應用，HUD技術愈加廣泛地出現在高級汽車上，例如BMW、奔馳等。通過將半透明影像投射在駕駛員前方視野2m處，顯示速度、轉速、油量等信息，使駕駛員無須在路面到投影間轉換視覺焦點[3]。

21世紀，從福特汽車公司分離出來的美國偉世通公司研發并制造了豐富多樣的車載HUD產品。2017年，該公司在上海車展展出的全新高級組合式車載HUD可提供更大的可視角度，比傳統的組合式HUD擴大了50%，能在駕駛員的視線內顯示更多的信息。這款車載HUD產品提供了10.6°×2.65°的視角和3.1英寸彩色薄膜晶體管（TFT）顯示屏。車載HUD除了提供車速、自動定速巡航控制、導航和燃油警告等基本信息之外，還能顯示來電者或音樂菜單等更多信息。

1.3 通航HUD

最早在民航飛機上使用HUD的是阿拉斯加航空公司，這家公司在1987年就將這種技術應用于載客的飛機上。阿拉斯加航空公司之后就開始了這種技術的應用，使困擾飛行員的飛機操作問題和安全問題逐漸得到解決，提高了飛行保障能力。

2 ?通航領域HUD相關技術應用

隨著綜合國力的增強，我國通用航空領域快速發展，不僅通航飛行活動需求旺盛，而且飛行總量飛速增長[4]。特別是中國民航得到空前的發展和壯大。新時代下，民航引入HUD技術，不僅可以提高飛機安全性以及全天候飛行能力，還有助于提高航班準點率。因此，HUD技術被視為中國民航中長期發展布局中的重要部分。HUD技術與其他航行新技術結合的研究，進一步促進飛行員狀態感知能力的提高，從而提高了航空器在更低標準下運行的水平。下文對航行新技術進行列舉。

2.1 通航領域平視引導系統的應用

平視引導系統（Head-up Guidance System，HGS）的注冊商標首先由美國羅克韋爾柯林斯（ROCKWELL COLLINS）公司完成，他們率先研發了這項技術。在最初設計這項技術的時候，這家公司的考慮是將飛機的一些關鍵顯示信息，通過一些技術投影到外部方便查看的地方，這種查看方式由于不需要飛行員再去操作儀器儀表來查看飛行信息，這給飛行員騰出了極大的操作精力，為整個飛行階段的飛行提供了可靠方便的引導。這項技術的優勢主要有以下幾點：首先這種技術的影像顯示符號不再受聚焦距離的限制，原則上可以聚焦到無窮遠的位置，而且這種顯示的符號與外界的世界完全疊加，不需要再進行飛行員對于信息讀取的視覺轉換，讓飛行員在飛行信息的讀取上減少眼部疲勞和精力損耗。不僅如此，HUD的應用帶給飛行員的信息更全面，還可以提供飛行著陸引導，在低能見度條件下保障飛機起飛及拉平指引。

2.2 通航領域視景增強系統的應用

借助電子方式，將經傳感器（如毫米波雷達、紅外前視儀等）產生或增強的外部環境圖像，提供給駕駛員。該系統被稱為視景增強系統（Enhanced Vision System，EVS）。EVS的應用提高了機組人員的情景意識，為夜航和低能見度條件下的飛行提供飛行指引。一般，整個飛行過程中均可以使用EVS。但是，EVS在最低決斷高度以下至距接地區標高100英尺的高度范圍內，更能展現其重要的作用，低于此條件采用目視飛行為主，視景飛行僅作參考的操作方式。

2.3 通航領域增強飛行視景系統的應用

增強飛行視景系統（Enhanced Flight Vision System，EFVS）是EVS和HUD的綜合，其過程是將EVS通過前視紅外儀所獲取的紅外圖像與HUD上顯示的主飛行信息合二為一，在保證所顯示的符號、圖像與外界場景重合的情況下，同時顯示在HUD上。EFVS功能的價值在于讓飛行員“看得更清”，同時“飛得更準”，增強飛行員態勢感知能力。特別是在低能見度氣象條件下，EFVS將飛機前方場景清晰地呈現給飛行員，以獲得一個相當于標準儀表進近程序所規定的能見度。飛行員依靠這一增強的飛行能見度識別跑道目視參考，按照FAR91.175（l）條規定，駕駛飛機至最低決斷高度以下、接地區標高100英尺以上。

2.4 通航領域合成視景系統的應用

合成視景系統（Synthetic Vision System，SVS）是一種借助電子方式，以顯示源于飛機姿態、高度、位置和通航地形數據庫的適用外部地形的計算機生成的虛擬視景[5]。這種虛擬視景并非外界“實時”圖像，而是通過電子方式由計算機生成。

3 ?結語

HUD技術在通航領域的使用，顯著提高了飛行員的情景意識和駕駛品質，促進運行安全。它幫助提高飛機全天候運行能力，提高航班準點率，減少航班延誤。雖然HUD技術引入民用航空領域較晚，但HUD技術作為一種新航行技術，對中國民航中長期發展布局有非常重要的意義。根據中國民航2012年8月發布的《平視顯示器應用發展路線圖》，要求到2025年中國航空運營人所有審定合格的航空器安裝并運行HUD和EVS，把使用HUD運行視為航空運營人所必備的運行能力。這也意味著在中國運營的飛機上全面安裝HUD的計劃指日可待。

參考文獻

[1] 王先超，謝意.機載全息波導瞄準顯示技術發展綜述[J].電光與控制，2015，210（12）：71-75.

[2] 王龍輝，汪崗，黃麗瓊，等.一種單色全息平板波導顯示系統的研究[J].應用光學，2019，40（2）：241-245.

[3] 張偉.2019款奔馳GLE（167）新技術剖析（五）[J].汽車維修技師，2019（9）：20-21.

[4] 葉際文，吳俊.基于ADS-B技術的通用航空低空航管系統搭建項目管理應用研究[J].科技資訊，2020，18（4）：85-86.

[5] 程岳，李亞暉，韓偉，等.機載飛行視景系統技術研究[J].航空計算技術，2020，50（1）：130-134.

[6] 趙恒坤，麻海燕.平視顯示器在支線飛機上的應用[J].航空電子技術，2018（1）：75-78.