通航領(lǐng)域HUD技術(shù)淺析

韓洪松 劉俊國(guó) 謝曉波

摘 ?要：該文對(duì)平視顯示儀（HUD）進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了HUD技術(shù)在通航領(lǐng)域中的使用。通過(guò)回顧HUD技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，突出強(qiáng)調(diào)了HUD在飛機(jī)上的使用價(jià)值。使用HUD顯著地提高了飛機(jī)的安全性能。特別是使用HUD還提高了民用飛機(jī)全天候飛行能力，從而提高航班準(zhǔn)點(diǎn)率。總之，HUD技術(shù)以及HUD與新航行技術(shù)的結(jié)合在民用航空業(yè)具有十分重要的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：HUD ?通航 ?民航 ?安全性能

中圖分類號(hào)：V24 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)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(shù)、飛行姿態(tài)、著陸引導(dǎo)、導(dǎo)航信息、告警和警告顯示等。在飛行過(guò)程中，飛行員無(wú)須低頭俯視儀表，通過(guò)飛機(jī)前方視窗，就可以獲取駕駛所需要的信息。

1 ?HUD的發(fā)展過(guò)程

HUD技術(shù)的首次應(yīng)用是在飛機(jī)上。在飛機(jī)駕駛艙引入HUD技術(shù)，不僅方便飛行員透過(guò)外部視界查看飛行信息，還可以提高飛機(jī)的安全性能。目前，這種具有高性能的技術(shù)已經(jīng)被民航領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域所采用。

1.1 HUD的使用價(jià)值

20世紀(jì)20年代，HUD最早以光學(xué)瞄準(zhǔn)器的形式在飛機(jī)上被使用。當(dāng)時(shí)，光學(xué)瞄準(zhǔn)器借助光學(xué)反射的原理，環(huán)狀瞄準(zhǔn)圈光網(wǎng)被投射在一片玻璃或駕艙罩上面，被投射的影像位于無(wú)限遠(yuǎn)的距離，以不影響飛行員瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)眼睛的運(yùn)作，從而獲得清晰的顯示。人們?cè)?0年代就已經(jīng)研制出反射式光學(xué)瞄準(zhǔn)具。1955年，英國(guó)皇家研究院在得到航空醫(yī)學(xué)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(shù)在當(dāng)時(shí)只能顯示出兩個(gè)字符，但是信息顯示方案的可行性得到論證。1968年，英國(guó)埃利奧特公司研制的數(shù)字式HUD裝備美國(guó)飛機(jī)。

早期HUD只能實(shí)現(xiàn)顯示功能，直到20世紀(jì)70年代，HUD才具備字符發(fā)生器和瞄準(zhǔn)計(jì)算雙重功能。那時(shí)HUD的字符發(fā)生器被改進(jìn)為HUD顯示數(shù)字計(jì)算機(jī)。這樣，從大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等原始飛行信息輸入HUD，HUD就等同于小型武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，改變了原先從火控雷達(dá)輸入信號(hào)的輸入狀態(tài)。

目前HUD已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙。HUD為飛行員提供飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)、威脅告警等信息，提高了飛行員的安全駕駛能力。HUD的應(yīng)用正朝著頭盔顯示器（Helmet Mounted Display，HMD）發(fā)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(shù)、飛行姿態(tài)、威脅告警等信息。頭盔顯示器可結(jié)合全息波導(dǎo)顯示技術(shù)，采用集成化的全息波導(dǎo)元件以減少元件數(shù)量。2013年底，國(guó)外某公司研制出一款視場(chǎng)角為25°×20°的彩色全息波導(dǎo)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(bào)道了一種單色全息平板波導(dǎo)顯示系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)顯示視場(chǎng)角為18°×14°，出瞳距離為30mm，有望應(yīng)用于新一代HMD顯示系統(tǒng)。

1.2 車載HUD

20世紀(jì)80年代，為了讓購(gòu)車者更加安心信賴，當(dāng)時(shí)汽車領(lǐng)域研究人員開(kāi)始關(guān)注HUD技術(shù)。隨著1988年首次在汽車上的應(yīng)用，HUD技術(shù)愈加廣泛地出現(xiàn)在高級(jí)汽車上，例如BMW、奔馳等。通過(guò)將半透明影像投射在駕駛員前方視野2m處，顯示速度、轉(zhuǎn)速、油量等信息，使駕駛員無(wú)須在路面到投影間轉(zhuǎn)換視覺(jué)焦點(diǎn)[3]。

21世紀(jì)，從福特汽車公司分離出來(lái)的美國(guó)偉世通公司研發(fā)并制造了豐富多樣的車載HUD產(chǎn)品。2017年，該公司在上海車展展出的全新高級(jí)組合式車載HUD可提供更大的可視角度，比傳統(tǒng)的組合式HUD擴(kuò)大了50%，能在駕駛員的視線內(nèi)顯示更多的信息。這款車載HUD產(chǎn)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(dòng)定速巡航控制、導(dǎo)航和燃油警告等基本信息之外，還能顯示來(lái)電者或音樂(lè)菜單等更多信息。

1.3 通航HUD

最早在民航飛機(jī)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(shù)應(yīng)用于載客的飛機(jī)上。阿拉斯加航空公司之后就開(kāi)始了這種技術(shù)的應(yīng)用，使困擾飛行員的飛機(jī)操作問(wèn)題和安全問(wèn)題逐漸得到解決，提高了飛行保障能力。

2 ?通航領(lǐng)域HUD相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

隨著綜合國(guó)力的增強(qiáng)，我國(guó)通用航空領(lǐng)域快速發(fā)展，不僅通航飛行活動(dòng)需求旺盛，而且飛行總量飛速增長(zhǎng)[4]。特別是中國(guó)民航得到空前的發(fā)展和壯大。新時(shí)代下，民航引入HUD技術(shù)，不僅可以提高飛機(jī)安全性以及全天候飛行能力，還有助于提高航班準(zhǔn)點(diǎn)率。因此，HUD技術(shù)被視為中國(guó)民航中長(zhǎng)期發(fā)展布局中的重要部分。HUD技術(shù)與其他航行新技術(shù)結(jié)合的研究，進(jìn)一步促進(jìn)飛行員狀態(tài)感知能力的提高，從而提高了航空器在更低標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行的水平。下文對(duì)航行新技術(shù)進(jìn)行列舉。

2.1 通航領(lǐng)域平視引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用

平視引導(dǎo)系統(tǒng)（Head-up Guidance System，HGS）的注冊(cè)商標(biāo)首先由美國(guó)羅克韋爾柯林斯（ROCKWELL COLLINS）公司完成，他們率先研發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)。在最初設(shè)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候，這家公司的考慮是將飛機(jī)的一些關(guān)鍵顯示信息，通過(guò)一些技術(shù)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(lái)查看飛行信息，這給飛行員騰出了極大的操作精力，為整個(gè)飛行階段的飛行提供了可靠方便的引導(dǎo)。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：首先這種技術(shù)的影像顯示符號(hào)不再受聚焦距離的限制，原則上可以聚焦到無(wú)窮遠(yuǎn)的位置，而且這種顯示的符號(hào)與外界的世界完全疊加，不需要再進(jìn)行飛行員對(duì)于信息讀取的視覺(jué)轉(zhuǎn)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(yīng)用帶給飛行員的信息更全面，還可以提供飛行著陸引導(dǎo)，在低能見(jiàn)度條件下保障飛機(jī)起飛及拉平指引。

2.2 通航領(lǐng)域視景增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用

借助電子方式，將經(jīng)傳感器（如毫米波雷達(dá)、紅外前視儀等）產(chǎn)生或增強(qiáng)的外部環(huán)境圖像，提供給駕駛員。該系統(tǒng)被稱為視景增強(qiáng)系統(tǒng)（Enhanced Vision System，EVS）。EVS的應(yīng)用提高了機(jī)組人員的情景意識(shí)，為夜航和低能見(jiàn)度條件下的飛行提供飛行指引。一般，整個(gè)飛行過(guò)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(qū)標(biāo)高100英尺的高度范圍內(nèi)，更能展現(xiàn)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(lǐng)域增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)的應(yīng)用

增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)（Enhanced Flight Vision System，EFVS）是EVS和HUD的綜合，其過(guò)程是將EVS通過(guò)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(hào)、圖像與外界場(chǎng)景重合的情況下，同時(shí)顯示在HUD上。EFVS功能的價(jià)值在于讓飛行員“看得更清”，同時(shí)“飛得更準(zhǔn)”，增強(qiáng)飛行員態(tài)勢(shì)感知能力。特別是在低能見(jiàn)度氣象條件下，EFVS將飛機(jī)前方場(chǎng)景清晰地呈現(xiàn)給飛行員，以獲得一個(gè)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)近程序所規(guī)定的能見(jiàn)度。飛行員依靠這一增強(qiáng)的飛行能見(jiàn)度識(shí)別跑道目視參考，按照FAR91.175（l）條規(guī)定，駕駛飛機(jī)至最低決斷高度以下、接地區(qū)標(biāo)高100英尺以上。

2.4 通航領(lǐng)域合成視景系統(tǒng)的應(yīng)用

合成視景系統(tǒng)（Synthetic Vision System，SVS）是一種借助電子方式，以顯示源于飛機(jī)姿態(tài)、高度、位置和通航地形數(shù)據(jù)庫(kù)的適用外部地形的計(jì)算機(jī)生成的虛擬視景[5]。這種虛擬視景并非外界“實(shí)時(shí)”圖像，而是通過(guò)電子方式由計(jì)算機(jī)生成。

3 ?結(jié)語(yǔ)

HUD技術(shù)在通航領(lǐng)域的使用，顯著提高了飛行員的情景意識(shí)和駕駛品質(zhì)，促進(jìn)運(yùn)行安全。它幫助提高飛機(jī)全天候運(yùn)行能力，提高航班準(zhǔn)點(diǎn)率，減少航班延誤。雖然HUD技術(shù)引入民用航空領(lǐng)域較晚，但HUD技術(shù)作為一種新航行技術(shù)，對(duì)中國(guó)民航中長(zhǎng)期發(fā)展布局有非常重要的意義。根據(jù)中國(guó)民航2012年8月發(fā)布的《平視顯示器應(yīng)用發(fā)展路線圖》，要求到2025年中國(guó)航空運(yùn)營(yíng)人所有審定合格的航空器安裝并運(yùn)行HUD和EVS，把使用HUD運(yùn)行視為航空運(yùn)營(yíng)人所必備的運(yùn)行能力。這也意味著在中國(guó)運(yùn)營(yíng)的飛機(jī)上全面安裝HUD的計(jì)劃指日可待。

參考文獻(xiàn)

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