頭部穿戴顯示器在民用飛機上的應用

高成志 楊世保

摘 要：頭部穿戴顯示器（Head Worn Display，HWD）作為一種新興的機載光學顯示設備，在增強飛行安全性、提高航班正點率、降低運營成本等方面具有重要作用。本文在介紹HWD的基本工作原理、特點和功用的基礎上，研究、分析HWD在民機上發(fā)揮的作用和優(yōu)勢，以及以HWD為基礎發(fā)展形成的平視飛行導引系統(tǒng)、增強飛行視景系統(tǒng)、平視合成視景系統(tǒng)和平視組合視景系統(tǒng)的組成、工作原理，重點闡述了平視組合視景系統(tǒng)在民機上的作用。

關(guān)鍵詞：頭部穿戴顯示器;民用飛機;增強飛行視景系統(tǒng);平視合成視景系統(tǒng);平視組合視景系統(tǒng)

Abstract： As a new airborne optical display device， head worn display （HWD） plays an important role in enhancing flight safety， improving flight punctuality， reducing operating costs and so on. Based on the introduction of the basic working principle， characteristics and functions of HWD， this paper studied and analyzes the functions and advantages of HWD in civil aircraft， as well as the composition and working principle of head up flight guidance system， enhanced flight visual system， head up synthetic vision system and head up combined vision system developed on the basis of HWD， and focused on the head up combined vision system in civil aircraft Function.

Keywords： head worn display;civil aircraft; enhanced flight vision system;head-up synthetic vision system;head-up combined vision system

戰(zhàn)斗機一般都裝備有頭盔瞄準具或頭盔顯示器。前者能為飛行員提供簡單的武器瞄準標記;后者不僅能夠顯示武器瞄準標記，還可以顯示主飛行信息并疊加顯示傳感器圖像。隨著航空電子技術(shù)、微處理器器件和波導顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，用于航空領(lǐng)域的頭盔顯示器（Head Mounted Display，HMD）即頭部穿戴顯示器（Head Worn Display，HWD）被研發(fā)出來，并從2000年后開始應用于民用飛機領(lǐng)域。研究和實踐表明，HWD能使飛行員平視操縱飛機，對改善飛行品質(zhì)、提升飛行安全、減輕飛行員的工作負擔等具有顯著作用。特別是在應對低能見度起降過程中，HWD的應用可以實現(xiàn)低能見度起飛和降落，減少航班延誤，提高乘客滿意度，降低航空公司運營成本。HWD作為一種新興的民機航電設備，國外的Thales、Elbit等公司都已研發(fā)出貨架產(chǎn)品[1-2]，并制訂了明確的商業(yè)推廣計劃和產(chǎn)品適航取證計劃。

1 HWD的工作原理

HWD是一種可以穿戴在頭部的顯示設備，其采用波導顯示技術(shù)，通過頭部定位設備的輔助，使飛行員穿戴在頭部以任意姿態(tài)觀察飛機周圍全方位視景時都能獲得HWD的顯示畫面支持。HWD一般由結(jié)構(gòu)模塊、顯示模塊、定位模塊、控制模塊以及符號生成軟件等組成。其中，顯示模塊主要包含中繼光學部件、波導鏡片、像源、信號處理單元等;定位模塊一部分（如天線、陀螺、攝像機等）位于結(jié)構(gòu)模塊，另一部分（如反光標記）位于在駕駛艙的其他合適位置;控制模塊安裝在儀表板的遮光罩處，是飛行員控制HWD工作模式的接口，可以進行字符亮度調(diào)節(jié)、圖像疊加模式切換等;符號生成軟件則駐留在其他計算組件實體中。HWD的符號生成軟件接收各種航電數(shù)據(jù)，如速度、高度、姿態(tài)、位置、風速、導航信息、導引指令等，經(jīng)過計算和顯示處理，生成HWD字符圖像，并與飛機外景疊加在一起顯示在波導鏡片上。飛行員通過波導鏡片，就可以同時觀察到飛行、導航、導引信息和外景。

2 HWD的主要特點

HWD作為一種新型的機載光學顯示設備，除了具有傳統(tǒng)平視顯示器（Head Up Display，HUD）的透過性、平視性、準直性和等角性這四個顯著特點外，還具有價格低廉、安裝簡易、重量輕、體積小、視野不受限的典型特點。

第一，價格低廉。Thales公司在2015年推出了自己的HWD產(chǎn)品TopMax[1]，其造價僅是傳統(tǒng)HUD的1/2。

第二，安裝簡易。與傳統(tǒng)的HUD相比，HWD的安裝無須安裝支架，僅需要佩戴在飛行員頭部，進行橫縱兩個方向的緊固即可。

第三，重量輕。Thales公司的TopMax產(chǎn)品重量小于0.37 kg，而該公司傳統(tǒng)的HUD產(chǎn)品重量為15 kg。

第四，體積小。HWD可與BOSE耳機配合使用，與傳統(tǒng)HUD相比，HWD更為小巧。

第五，視野不受限。HWD佩戴在飛行員的頭部，可以隨頭部的運動而運動，可保證顯示畫面的完整性;而傳統(tǒng)HUD受眼盒限制，飛行員必須在HUD的眼盒范圍內(nèi)才能觀察到顯示畫面。

3 HWD在民用飛機上的典型應用模式

HWD在民用飛機上的典型應用模式主要包括以下五種：HWD單獨使用;HWD與飛行導引技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成平視飛行導引系統(tǒng);HWD與增強視景系統(tǒng)（Enhanced Vision Syetem，EVS）相結(jié)合，構(gòu)成增強飛行視景系統(tǒng)（Enhanced Flight Vision System，EFVS）;HWD與合成視景系統(tǒng)（Synthetic Vision System，SVS）相結(jié)合，構(gòu)成平視合成視景系統(tǒng)（Head up Synthetic Vision System，HSVS）;HWD與EVS和SVS相結(jié)合，構(gòu)成平視組合視景系統(tǒng)（Head up Combined Vision System，HCVS）。

3.1 HWD單獨使用

HWD可以使飛行員平視獲取飛機的速度、高度、姿態(tài)、位置、導航等關(guān)鍵飛行信息，而無須在低頭俯視儀表與抬頭觀察外景之間進行切換，有效降低了飛行員的視覺疲勞，提升了飛行安全。此外，使用HWD操縱飛機，還可以顯著提高飛行操縱精度，減少飛行技術(shù)誤差，有效降低不穩(wěn)定進近、重著陸、擦尾等飛行事故的發(fā)生。

3.2 HWD與飛行導引技術(shù)結(jié)合使用

HWD與飛行導引技術(shù)結(jié)合可以構(gòu)成平視飛行導引系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面接收來自機場精密導航設施提供的飛機相對于跑道的角度偏差信號;另一方面接收根據(jù)飛機的速度、高度、姿態(tài)、位置、加速度、角速度、風速等數(shù)據(jù)計算出的飛行操縱引導指令，通過HWD顯示給飛行員，引導飛行員在起飛、進近、拉平和滑跑過程中實現(xiàn)準飛行。

法國Thales公司已經(jīng)進行了TopMax商用試飛。結(jié)果表明，基于HWD的平視飛行導引系統(tǒng)可以引導飛行員實施低能見度起飛和特殊Ⅰ類進近[1]。因此，HWD與傳統(tǒng)HUD一樣，在提高飛行精度方面具有特殊作用，裝備有平視飛行導引系統(tǒng)的飛機在進近著陸時允許降低對地面導航設施的要求和最低著陸標準，經(jīng)過特殊批準后，可以在Ⅰ類機場實施特殊的Ⅰ類進近著陸[3]。

3.3 HWD與EVS結(jié)合使用

HWD與EVS構(gòu)成增強飛行視景系統(tǒng)（EFVS）。該系統(tǒng)利用增強視景系統(tǒng)提供的飛機前方的紅外視景圖像，增強了飛行員在云、霧、霾、雨、雪、夜間等氣象條件下的飛行能見度，并與主飛行信息和導引信息疊加顯示在波導鏡片上，大大提高了飛行員的態(tài)勢感知能力，從而達到降低著陸標準和對機場導航設施依賴的目的。

Elbit公司最新研制的EVS 5000產(chǎn)品涵蓋了可見光、短波紅外和長波紅外等多個波段，不僅可以識別機場傳統(tǒng)的鹵素燈，還可以識別新裝備的LED燈，克服了產(chǎn)品EVS Ⅰ和EVS Ⅱ不能識別LED燈的弱點，大大提升了應用范圍。當前，Elbit公司正在ATR-600系列飛機上大力推廣其頭戴式顯示器SKYLENS和EVS5000構(gòu)成的EFVS，以提升ATR-600系列飛機的安全運營水平，降低航空公司的運營成本[4]。

3.4 HWD與SVS結(jié)合使用

HWD與SVS構(gòu)成的平視合成視景系統(tǒng)（HSVS），其組成和工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)利用地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、機場跑道數(shù)據(jù)生成三維虛擬視景，并將該視景與飛行儀表信息、指引信息和告警信息融合在一起疊加顯示在HWD上。SVS具有顯示范圍廣、距離遠、分辨率高、不受天氣狀況影響的優(yōu)勢，可有效增強飛行員在夜間和低能見度天氣下的情景意識，減輕飛行員的工作負擔，減少飛行技術(shù)誤差。此外，SVS可以使飛行員在飛行路徑上看清地形和障礙物，達到“看到即避開”的效果，有效避免可控飛行撞地事故的發(fā)生，大大增強飛行安全。

當前，Thales公司已經(jīng)在塞斯納飛機上進行了HSVS的試飛驗證，而Elbit公司也在ATR600飛機上進行了HSVS的試飛驗證。而Honeywell公司開發(fā)的SVS已經(jīng)具備了引導功能，實現(xiàn)了基于下視顯示器（公務機）合成視景指引系統(tǒng)（Synthetic Vision Guidance System，SVGS）在Ⅰ類機場實時特殊Ⅰ類進近的適航批準，而且該SVGS還能有效降低飛機沖出跑道、起降時誤判跑道的可能性[5]。未來，先進的SVGS與HWD的結(jié)合，將會大大提升民用飛機的駕駛體驗。

3.5 HWD與EVS和SVS結(jié)合使用

HWD與EVS和SVS結(jié)合使用可以構(gòu)成平視組合視景系統(tǒng)（HCVS），其組成和工作原理如圖2所示。該系統(tǒng)利用EVS產(chǎn)生的增強視景圖像和SVS生成的合成視景圖像進行融合校準，并與主飛行信息以及導引信息一起疊加顯示在HWD上。該系統(tǒng)發(fā)揮了SVS不受天氣影響的優(yōu)點，克服了EVS無法穿透較厚云層成像的缺點;發(fā)揮了SVS不受視場限制的優(yōu)點，克服了EVS視場受限的缺點;發(fā)揮了SVS自有地形數(shù)據(jù)庫、障礙物數(shù)據(jù)庫和機場數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，克服了EVS受傳感器性能的影響無法遠距離成像的缺點。

當前，Elbit公司已將本公司的HCVS產(chǎn)品在ATR-600系列飛機上進行了試飛驗證通過驗證可知，在遠離機場時，只顯示SVS圖像;當?shù)竭_300 m高度時，開始顯示經(jīng)過融合的圖像;隨著高度的降低，EVS圖像占整個畫面的比例隨之增大，直到60 m高度時全部轉(zhuǎn)換為EVS圖像。

4 HCVS在民機各飛行階段的作用

HCVS支持美國NextGen的重要運行概念——等效目視運行（Equivalent Visual Operation，EVO）[6-7]。在實現(xiàn)EVO之前，在低能見度條件下，民機在達到儀表氣象條件（Instrument Meteorological Conditions，IMC）時，就需要執(zhí)行儀表飛行規(guī)則（Instrument Flight Rules，IFR）;在能見度高時，民機在達到目視氣象條件（Visual Meteorological Conditions，VMC）時，就需要執(zhí)行目視飛行規(guī)則（Visual Flight Rules，VFR）。而在實現(xiàn)EVO之后，民機可以在任何氣象條件下執(zhí)行VFR，從而提高機場的吞吐量和空域容量，具有更高的運行效率，也實現(xiàn)了更高的安全性。由于EVO適用于整個民機飛行剖面，因此HCVS在場面運行、起飛/離場、航路飛行、進近著陸、場面運行等階段都能發(fā)揮重要作用。

4.1 場面運行中HCVS的作用

HCVS可以提供滑行導引符號、偏離路徑告警符號。通過SVS畫面顯示沖出跑道告警和場面交通信息，自動檢測跑道入侵并告警，通過EVS的實時外景圖像提高察覺跑道入侵的概率，從而提高滑行速度、降低滑行間隔、減少停機坪等待、降低燃油消耗，以此大幅提升場面運行能力。

4.2 起飛/離場中HCVS的作用

根據(jù)空客公司對1958年至2014年空難的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，起降階段時間僅占總飛行時間的2%，但起降階段發(fā)生的致命事故卻占72%，因此起降階段是航行安全的關(guān)鍵。HCVS既可以通過SVS提供最直觀形象的近地告警和障礙物告警，又可以通過EVS的實時圖像進行校正，還可以保持平視操縱飛機，極大地提升了飛行員對外景的態(tài)勢感知能力，最大限度地提高了安全飛行裕度。此外，在低能見度條件下，HCVS還支持NextGen提出的“近距平行跑道”獨立平行離場，這能顯著提升樞紐機場的起飛效率和機場吞吐量，并大大提高起飛安全。

4.3 航路飛行中HCVS的作用

HCVS可以提供三維虛擬場景，如空中交通、航路、空域限制、天氣等信息，增強飛行員的空域感知能力，提高飛行員對飛機的管控能力。

4.4 進近/著陸中HCVS的作用

當前，美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）已經(jīng)批準使用EFVS（HUD+EVS）進近著陸到地面，而且正在修訂FAR Part 91.175條款，使之適用于HWD。而之前FAA僅批準EFVS進近到離地30 m的決斷高度，該限制的取消，可以大大減少航班延誤率，提高機場的吞吐量。一方面，HCVS支持NextGen提出的“近距平行跑道”獨立平行離場，這能顯著提升樞紐機場的起飛效率和機場吞吐量，并大大提高起飛安全;另一方面，HCVS還支持NextGen提倡的RNP進近。而根據(jù)NASA的模擬飛行試驗，HCVS能夠降低RNP運行的最主要誤差——飛行技術(shù)誤差，以滿足RNP規(guī)則。RNP進近航跡準確、進近路徑段、空管引導和語音通信少，更加安全高效。

5 結(jié)語

HWD作為一種頭戴式顯示器，不僅能顯著提高飛行操縱精度，增強飛行員的態(tài)勢感知能力，使飛行員“看得更清，飛得更準”，而且不受傳統(tǒng)HUD眼盒指標的限制，能夠在提高民航運行安全、提高正點率和降低運營成本方面發(fā)揮重要作用。HWD作為一種新興的機載顯示設備，隨著工業(yè)界試飛驗證力度的加大，以及民航領(lǐng)域規(guī)章和政策的不斷發(fā)展和落地，未來HWD的應用范圍將會越來越大。

參考文獻：

[1] Thales Group. TopMax， Wearable HUD for Commercial Aircraft， Cargo and Business Jet Pilots [DB/OL]. [2020-03-12].https：//www.thalesgroup.com/en/markets/aerospace/flight-deck-avionics-equipment-functions/topmax-wearable-hud-commercial-aircraft.

[2] Elbit Systems. SKYLENS operational freedom at your eye level [DB/OL]. [2020-03-12].https：//elbitsystems.com/media/Skylens_Aviation_Award_2016.pdf.

[3]王全忠，高文正.平視顯示器在民用飛機上的應用研究[J].電光與控制，2014（21）：1-5.

[4] Elbit Systems. Elbit Systems and ATR sign an agreement for the integration of ClearVisionTM EFVS with the new SKYLENSTM wearable display onboard ATR-600s aircraft [DB/OL].[2020-03-12].http：//www.atraircraft.com/newsroom/pressrelease/elbit-systems-and-atr-sign-an-agreement-for-the-integration-of-clearvision-efvs-with-the-new-skylens-wearable-display-onboard-atr-600s-aircraft-1339-en.html.

[5]霍尼韋爾航空航天集團.霍尼韋爾Smart系列三款產(chǎn)品提升跑道安全[J].航空制造技術(shù)，2011（9）：104-105.

[6]Joint Planning and Development Office. NextGen Avionics Roadmap[EB/OL].（2011-09-30）[2020-02-20]. https：//www.doc88.com/p-466112320401.html.

[7] Frank Cupero，Brian Valimont，John Wise，et al. Head worn display system for equivalent visual operations[R].NASA/CR-2009-215781，2009.