基于HUD導引功能的審定要求分析

張 帆，王睿璇，肖國松，王 鵬

（中國民航大學a.民航航空器適航審定技術(shù)重點實驗室；b.適航學院，天津 300300）

機載平視顯示器（HUD，head-up display）能夠?qū)w行數(shù)據(jù)投射到駕駛員正前方透明顯示組件上，并通過導引功能實現(xiàn)飛行航跡指引，使飛行員能夠隨時依據(jù)指示修正飛機飛行狀態(tài)、實現(xiàn)精細化飛行，從而在低能見度下完成滑跑、起飛、進近等飛行任務，對改善飛行品質(zhì)、提升航空安全水平、增進社會效益具有重要意義[1]。

隨著中國民航運輸總量和機隊規(guī)模的大幅增長，飛行安全和航班正常面臨較大挑戰(zhàn)。為提高低能見度條件下航班正常運行能力，降低氣象條件對飛機安全運行的影響，自2012年起，中國民用航空局（CAAC，Civil Aviation Administration of China，簡稱局方）大力倡導在飛機和模擬機上裝配HUD，并基于相關運行規(guī)章和標準對所研制的HUD 功能與性能進行驗證與批準。

HUD 作為CAAC 近期重點推進的四大航行技術(shù)之一，根據(jù)《平視顯示器應用發(fā)展線路圖》[2]，在2020年以前，其裝機率應達到50%，所有具備條件的機場將在進近圖中公布特殊Ⅰ類、特殊Ⅱ類和起飛最低標準。中國航空運輸量持續(xù)快速增長，機場運行保障壓力增加，而具備低能見度運行條件機場數(shù)量不多。截至2019年底，中國具備HUD 特殊Ⅰ類標準機場97個，特殊Ⅱ類標準機場21 個，具備HUD RVR150 m起飛標準的機場11 個；全行業(yè)共有運輸航空公司62家，僅19 家具備HUD 運行能力；全民航在冊航空器數(shù)量3 818 架，僅1 183 架運輸飛機具備HUD 能力[3]。

根據(jù)上述統(tǒng)計，中國機隊規(guī)模較大的B737NG 和A320 系列飛機的HUD 裝機率尚且不足，距離CAAC提出的“截至2025年實現(xiàn)HUD 的100%裝機率”的目標差距巨大。運輸飛機方面，真正具備HUD 能力的飛機僅占31%，仍有69%的飛機尚未取得HUD 運行資格。機場方面，中國具備低能見度運行條件的機場數(shù)量不足，機場設施升級存在改造資金投入量大、技術(shù)難度高等問題[4]，通過HUD 技術(shù)則可實現(xiàn)機場降標準運行，經(jīng)CAAC特殊批準，可在不滿足標準Ⅱ類機場實施特殊Ⅱ類運行，從而降低機場升級負擔，提高運行保障能力。

HUD 作為新興技術(shù)，在解決低能見度起降問題的同時，也為運行引入了新的安全風險，其導引功能作為飛機導引系統(tǒng)的重要組成部分，關系著整機全天候飛行安全，也是局方審定中重點關注的問題。中國在相對宏觀的層面針對HUD 運行審定頒布了相應標準，但未有明確針對其導引功能的驗證與批準所提出的解決方案及相應的運行審定類指導文件，目前有關HUD 導引功能的研究也尚存空白。因此，以國內(nèi)外航空局、工業(yè)方審定資料為基礎，從審定文件體系、審定要素和要求等方面進行研究，以期為國產(chǎn)HUD 運行審批提供理論支持。

1 基于HUD 導引功能的標準體系

1.1 研發(fā)標準體系

實現(xiàn)運行的前提是具備相應的功能，且滿足適航要求。《使用平視顯示器（HUD）運行的評估與批準程序》（AC-91-FS-2017-03R2）[5]明確規(guī)定：實施標準Ⅱ類或特殊Ⅱ類運行，HUD 必須具備導引能力，否則應結(jié)合Ⅲ型自動駕駛導引能力；實施低能見度起飛，HUD必須具備導引能力。HUD 作為復雜航電設備，其集成、資源共享、軟/硬件邏輯復雜程度，均使得研發(fā)面臨著挑戰(zhàn)。

為推進HUD 的研發(fā)，國際自動機工程師學會發(fā)布了SAE ARP 5288“運輸類飛機HUD 系統(tǒng)”及SAE AS 8055“機載HUD 系統(tǒng)最低性能標準”，對HUD 導引功能及性能提出了建議。為證明功能的適航符合性，在導引功能研發(fā)階段，F(xiàn)AA（Federal Aviation Administration）發(fā)布的AC 25-11B“電子飛行顯示器”提出了HUD 導引功能性要求；AC 25.1329-1C“飛行導引系統(tǒng)的批準”明確了HUD 導引功能設計及低能見度運行要求；HUD 作為高安全性等級設備，應滿足AC 25.1309-1A“系統(tǒng)設計與分析”的安全性需求。此外，整個功能的研發(fā)過程要滿足SAE ARP 4754A“民用飛機與系統(tǒng)研制指南”及SAE ARP 4761“民機機載系統(tǒng)及設備安全性評估過程指南與方法”要求。研發(fā)標準體系間關系如圖1所示。

圖1 HUD 導引功能研發(fā)標準體系Fig.1 Development standard system of HUD guidance function

1.2 運行標準體系

HUD 系統(tǒng)完成研發(fā)并申請取得適航批準后，投入市場運行，需滿足運行標準要求，并申請運行批準。作為新的航行技術(shù)，HUD 的一個重要用途就是支持全天候運行。CAAC AC 91-FS-2012-16“航空器運營人全天候運行要求”明確規(guī)定了申請實施全天候運行的運營人應進行運行演示，以測定或驗證航空器的飛行引導系統(tǒng)。FAA AC 120-29A“Ⅰ、Ⅱ類氣象條件下進近的最低運行批準標準”規(guī)定了導引系統(tǒng)性能、進近程序及批準要求。FAA AC 120-28D“Ⅲ類氣象條件下起飛、著陸及滑跑的最低運行批準標準”規(guī)定了使用HUD的Ⅲ類導引系統(tǒng)性能、運行程序及批準條件。

此外，使用HUD 可能具備降標準運行條件，因此考慮到機場設施、機載系統(tǒng)的導引能力，CAAC 發(fā)布了AC 91-FS-2017-03R2“使用HUD 運行的評估與批準程序”，明確提出使用HUD 可實施除了標準Ⅰ、Ⅱ類運行外，在滿足功能及運行要求基礎上，可實施特殊Ⅰ、Ⅱ類運行及低能見度起飛（LVTO,low visibility takeoff）。該文件為使用HUD 的運行批準及機場制定和公布HUD 運行最低標準提供指南，同時為CAAC 進行HUD 運行標準的審定與批準提供依據(jù)和指導。運行標準體系間關系如圖2所示。

圖2 HUD 運行標準體系Fig.2 Operation standard system of HUD

2 HUD 導引功能審定要求分析

2.1 審定要素分析

HUD 設備實現(xiàn)裝機取證時，在實際針對HUD導引功能的審定過程中，審定要素涉及設備自身的適航、運行程序和性能等要求。以檢查單的形式對各部分的審定關注點進行歸納，如表1所示（1ft=0.304 8 m）。

表1 HUD 導引功能運行審定要素分析Tab.1 Analysis of operation certification elements of HUD guidance function

2.2 進近評估要素分析

2.2.1 進近航跡評估

根據(jù)AC-91-FS-2017-03R2，使用HUD 實施標準Ⅰ類及特殊Ⅰ類運行，對其導引能力不做要求，且使用階段僅為進近至決斷高度DH（decision height）；使用HUD 實施標準Ⅱ類和特殊Ⅱ類運行，則要求其自帶導引至接地功能。

對進近航跡的評估應考慮垂直航跡基準進近和無垂直航跡基準進近兩種類型。前者應按地基準則采用剖面偏離評估，后者應采用高度損失評估。兩種評估方法的圖解形式如圖3 和圖4所示。剖面偏離法首先確定最壞情況下故障的偏離剖面，將剖面沿下滑道下滑，直至與1∶29 斜線或跑道相切。根據(jù)由偏離剖面決定的飛機機輪相對于1∶29 斜線相交點的幾何關系，可確定失效情況對進近的影響。高度損失法應按3°的下降路徑和正常進近速度下降，以垂直高度損失評估飛行航跡偏差，差值為飛機機輪高度與正常機輪飛行航跡之差[9]。

圖3 剖面偏離法Fig.3 Profile deviation method

圖4 高度損失法Fig.4 Height loss method

2.2.2 著陸點分布評估

根據(jù)AC-91-FS-2017-03R2，若使用HUD 實施標準Ⅱ類和特殊Ⅱ類運行，則對HUD 有使用自備導引至接地能力的要求。

根據(jù)國際民航組織針對航空器著陸系統(tǒng)的性能標準[10]規(guī)定，航空器接地點在機場接地區(qū)以外的概率應當小于1×10-6。對航空器著陸點位置的評估，可采用模擬機數(shù)據(jù)分析，將飛行員反應時間和視野轉(zhuǎn)換時間作為模型輸入指標，著陸點位置坐標作為輸出指標，并將相關飛行數(shù)據(jù)擬合于跑道，分別對使用和未使用HUD 導引功能進行著陸的航空器在接地區(qū)外接地的概率進行計算，與規(guī)定概率比較以判斷HUD 導引功能是否符合安全標準[11]。

3 審定案例

3.1 系統(tǒng)描述

典型民機HUD 由HUD 計算機、投影裝置、組合儀、HUD 顯示控制面板等組成，如圖5所示，與飛機的儀表著陸系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、機載防撞系統(tǒng)等系統(tǒng)交聯(lián)，且自帶導引功能。計算機接收傳感器數(shù)據(jù)并計算出飛行操縱導引指令，通過HUD 的校正和優(yōu)化處理后，顯示給飛行員以引導其在起飛、進近、拉平和滑跑過程中實施精準飛行。

圖5 典型民機HUD 系統(tǒng)組成Fig.5 HUD system composition of typical civil aircraft

導引功能用于飛機的低能見度運行，由導引提示符號實現(xiàn)。飛機下降至一定高度時，計算機根據(jù)下滑軌跡計算出趨勢下劃線，下降至門限值后HUD 將指引飛機按計算出的虛擬下滑道飛行。飛行員通過俯仰和橫滾輸入在飛行航跡圈里捕捉導引符號，使飛行航跡提示符與導引提示符重疊，以控制飛行航跡實現(xiàn)安全著陸[12]。

3.2 適航審定

以某型平視顯示系統(tǒng)為例，對其導引能力的適航審定及審定中的運行評估要求進行說明。本例改裝HUD 為重要機載設備改裝，參照《航空器型號合格審定程序》（AP-21-AA-2011-03-R4）[13]申請補充型號合格證（STC,supplemental type certificate）。

在適航審定的過程中，應盡早考慮可能影響產(chǎn)品設計的運行要求。航空器評審小組（AEG，aircraft evaluation group）作為民航局飛行標準部門與適航審定部門在航空產(chǎn)品初始型號審定和后續(xù)運行管理過程中的橋梁，全程參與重要改裝的評審。通過AEG 在型號審定過程中使用和運行角度的評估，可確保產(chǎn)品制造方將可運行的航空產(chǎn)品交付給用戶。運行評估過程中的關注重點為HUD 運行程序、操縱性能及導引運行資質(zhì)等要素。

3.2.1 審定基礎和符合性方法的確定

對HUD 導引能力的適航審定，以CCAR 25.1301、CCAR 25.1309 和CCAR 25.1329[14]為審定基礎。CCAR 25.1301 對系統(tǒng)的功能和安裝提出通用要求；CCAR 25.1309 涉及飛機所有系統(tǒng)和設備，對飛機與系統(tǒng)的安全性提出要求；CCAR 25.1329 對飛行導引系統(tǒng)的自動駕駛、自動推力和飛行指引等功能提出要求。對各規(guī)章的審定要素及符合性方法進行分析，如表2所示。

3.2.2 工程驗證試驗及符合性檢查

工程驗證試驗是本例產(chǎn)品進行型號合格審定的必經(jīng)過程。對于HUD 的導引功能，涉及零部件鑒定試驗、系統(tǒng)功能試驗及電磁干擾試驗，審查內(nèi)容覆蓋表1及表2 的所有內(nèi)容。申請人在試驗前向?qū)彶榉教峤幌嚓P試驗大綱，包括工程圖、鏟平構(gòu)型、設備清單、試驗步驟等，獲批后，審查方將發(fā)出制造符合性檢查單。申請人進行驗證試驗前應提交制造符合性聲明，審查方將按制造符合性檢查單和制造符合性聲明對試驗前相關情況進行檢查，確保其符合工程圖和試驗大綱，滿足開展驗證試驗的要求。試驗過程中，審查方以目擊方式監(jiān)督試驗過程。

表2 HUD 導引功能審定要素及符合性方法Tab.2 Certification factors and compliance methods of HUD guidance function

另外，HUD 導引驗證需要進行工程分析。通過審查導引算法及建模、模擬過程，理解導引原理及所采用方法的適用性和準確性；在此基礎上，審查導引功能運行結(jié)果，如進近航跡、著陸點的分布結(jié)果，驗證數(shù)據(jù)結(jié)論的有效性，從而檢查符合性證據(jù)的合理性[13]。從安全性的角度，根據(jù)CCAR 25.1309 的要求，HUD 作為安全關鍵系統(tǒng)，其發(fā)生任何妨礙飛機繼續(xù)安全飛行與著陸失效狀態(tài)的概率應為極不可能，即平均每飛行小時不高于1×10-9。因此，作為系統(tǒng)單個組件模塊的HUD導引功能模塊不允許發(fā)生單點失效，其失效狀態(tài)應得到識別，失效影響應被評估。由于分析過程的可變性和不確定性，僅采用定量分析證明某個失效狀態(tài)極不可能是不充分的，還應包括對所有假設、數(shù)據(jù)源及分析方法工具的判斷，必要時通過適當?shù)牡孛?、飛行或模擬試驗來表明。無法執(zhí)行詳盡測試時，系統(tǒng)的符合性應通過研制保證來表明。

3.2.3 試飛驗證

申請人進行研發(fā)試飛獲得型號檢查核準書（TIA）后，才能開始審定試飛。審查方在評估飛行試驗風險管理過程，保證審定飛行試驗風險的可接受性，并批準試飛大綱后，開展試飛審定工作。

HUD 系統(tǒng)試飛評估主要包括硬件評估，以及起飛、離場、儀表氣象條件（IMC,instrument meteorological condition）正常機動、目視氣象條件（VMC,visual meteorological condition）極限機動和手動ILS 進近著陸時的顯示特性評估[15]。HUD導引功能的審定試飛主要是評估飛行程序、導引性能，包括進近航跡和著陸點分布，以及使用導引功能進行飛行操縱的可靠性和安全性，如潛在的失效狀態(tài)、失效影響等，并在此過程中確定導引功能的使用限制和操縱程序[13]。

3.2.4 運行評估

本例中HUD 在取得STC 過程中需要與AEG 及時溝通，對導引功能的運行及維護進行評估。適航取證后，投入市場前應基于前期適航審定的結(jié)論，對產(chǎn)品進行運行評估，以證實HUD 導引功能對運行的有效性。AC-91-FS-2017-03R2 中規(guī)定，每類運行均需進行真機驗證，申請人每增加1 個裝備HUD 的新機型、對已有機型增加或改裝HUD 型號，均需演示驗證1 次。AC 25-7D 中規(guī)定，在額定ILS 波束上Ⅰ類運行應至少進行4 次進近，Ⅱ類運行至少進行20 次進近。在該過程中可對進近航跡和接地點進行評估，以保證導引性能與安全性符合標準要求。

4 結(jié)語

1）研究了國內(nèi)外現(xiàn)有的針對HUD 系統(tǒng)導引功能的適航研制及運行審定文件體系，分析并整理了各適用文件的內(nèi)容及關注要素。

2）根據(jù)運行審定要求，分析了HUD 系統(tǒng)導引功能的研發(fā)及驗證要求，為其運行過程中功能及性能驗證提供審定依據(jù)。

3）開展HUD 運行的評估要求分析，研究了在適航及運行過程中導引功能的運行關注要素，給出了針對HUD 系統(tǒng)導引功能、性能研制及運行程序等審定要素和評審要求。

研究將對HUD 系統(tǒng)研制提供理論基礎，并為工業(yè)方和局方開展HUD 系統(tǒng)運行審定提供支持。下一步將從運行評估技術(shù)出發(fā)，研究符合中國國情的HUD系統(tǒng)運行標準，進一步推動國產(chǎn)機載設備的運行。