向小軍，高 升

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0引 言

HUD是英文h ead－up－display的縮寫，中文名稱為平視顯示器。HUD最早應(yīng)用于軍用作戰(zhàn)飛機(jī)，作為武器瞄準(zhǔn)工具在19世紀(jì)50年代出現(xiàn)。到了20世紀(jì)80年代羅克韋爾·柯林斯首次將HUD技術(shù)應(yīng)用于商用飛機(jī)。90年代美國FAA在其國內(nèi)推進(jìn)該項技術(shù)的應(yīng)用，并公布了相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。我國民航從2003年開始跟蹤美國FAA的規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)，建立中國民航運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。山東航空公司也從2005年開始使用HUD實(shí)施試運(yùn)行。經(jīng)過10年的研究與實(shí)踐，山航已經(jīng)獲得了使用HUD進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類運(yùn)行、特殊Ⅰ類運(yùn)行和標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ運(yùn)行的審批，并且積累了大量的經(jīng)驗(yàn)與成果。這也為中國民航在推進(jìn)HUD這項新技術(shù)的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)過10年的推廣和試點(diǎn)，HUD給航空公司運(yùn)營帶來的安全及經(jīng)濟(jì)效益開始顯現(xiàn)并逐漸被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可。2014年10月中旬，在民航局飛標(biāo)司主持下分別在青島和上海召開低能見度運(yùn)行會議。會議的主要目的是討論部署使用HUD實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行的工作。會議決定在青島機(jī)場由山東航空公司使用波音承擔(dān)試運(yùn)行工作，在上海浦東機(jī)場由東方航空公司使用空客飛機(jī)承擔(dān)試運(yùn)行工作，并確定了公司、機(jī)場、空管局、民航監(jiān)管局等單位的工作及完成的時間節(jié)點(diǎn)。HUD對中國民航來說還是一種新技術(shù)，國內(nèi)對使用HUD運(yùn)行的研究成果還相對較少，故在實(shí)際運(yùn)行中還有許多問題需要研究。

1 HUD簡介

HUD是一種能把關(guān)鍵飛行數(shù)據(jù)投射到飛行員正前方透明玻璃板上的顯示系統(tǒng)。它主要由經(jīng)過特殊處理的顯示組件、頭頂投影儀、計算機(jī)、控制組件等組成，安裝在駕駛艙中與飛機(jī)的儀表著陸系統(tǒng)接收機(jī)、飛行管理系統(tǒng)（FMS）、高度表、速度表、飛行控制系統(tǒng)、機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCAS）、風(fēng)切變告警（GPWS）等系統(tǒng)相連。也就是說HUD與傳統(tǒng)儀表的數(shù)據(jù)來源完全一致，且HUD將所接收信號經(jīng)過處理顯示為圖形信息更為形象和靈敏?？铝炙构狙邪l(fā)的平視顯示器引導(dǎo)系統(tǒng)在波音737駕駛艙的布局如圖1所示。

圖1 HUD在駕駛艙中的布局

顯示組件位于座艙前端，高度大致與飛行員的眼睛成水平，投射的文字和影像調(diào)整在焦距無限遠(yuǎn)處，飛行員透過HUD往前方看的時候，能夠?qū)⑼獠恳暰芭cHUD顯示的信息融合在一起。飛行員不需要低頭查看傳統(tǒng)儀表，始終保持抬頭的姿態(tài)，降低低頭與抬頭之間忽略外界環(huán)境的快速變化以及眼睛焦距需要不斷調(diào)整產(chǎn)生的延遲與不適。成像系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 HUD成像原理

HUD將來可以與PBN、EVS等技術(shù)相融合，HUD和EVS的結(jié)合，是HUD發(fā)展的主要方向。增強(qiáng)視景系統(tǒng)（EVS）通過圖像傳感器獲得外部景象的電子實(shí)時圖像，將信息顯示在HUD上，或獨(dú)立使用，向飛行提供跑道特征（例如：跑道照明）以及周圍地形和障礙物特征的圖像，提高夜間和低能見度條件下飛行時的情景意識。

2 使用HUD實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行的意義

中國民航航空運(yùn)輸系統(tǒng)，在快速發(fā)展過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，主要包括空域受限、機(jī)場容量飽和、運(yùn)輸總量大幅度增長、飛機(jī)機(jī)隊數(shù)量快速增加等因素。航空公司和機(jī)場的安全和運(yùn)營壓力增大。

航空公司壓力增大，一是機(jī)隊數(shù)量快速增加，致使在飛行安全和運(yùn)行管理方面的壓力越來越大；另一方面旅客出行對航班正點(diǎn)率的要求與航空公司可供駕駛員應(yīng)對復(fù)雜地形機(jī)場和天氣能力的訓(xùn)練手段單一，以及航空公司在低能見度運(yùn)行的投入成本少，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行壓力的增加。

機(jī)場運(yùn)行保障壓力增加，目前我國具備低能見度運(yùn)行條件的機(jī)場數(shù)量不足，Ⅱ類機(jī)場只有4個，無Ⅲ類機(jī)場。按照傳統(tǒng)方式對現(xiàn)有I類機(jī)場作II、Ⅲ類運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的升級改造資金投入量大、技術(shù)難度高。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重影響飛行運(yùn)行的天氣時，航班大面積延誤和機(jī)場旅客滯留等導(dǎo)致運(yùn)行壓力增大。現(xiàn)有機(jī)場在基礎(chǔ)設(shè)施投入和地面運(yùn)行保障方面能力不足，同時現(xiàn)有運(yùn)行方式對地面設(shè)施的依賴程度高，導(dǎo)致地面運(yùn)行保障面臨很大壓力。特殊機(jī)場受地形和地理條件的影響，傳統(tǒng)陸基導(dǎo)航設(shè)施難以滿足運(yùn)行需要，且投資巨大，維護(hù)成本高。在實(shí)際飛行過程中，駕駛員難以建立對外界環(huán)境的有效監(jiān)控。

HUD是解決上述問題的有力工具。特殊Ⅱ類運(yùn)行是指飛機(jī)利用HUD技術(shù)在機(jī)場Ⅰ類儀表著陸系統(tǒng)上實(shí)施RVR350米／DH30的運(yùn)行，即機(jī)場設(shè)施低于國際民航標(biāo)準(zhǔn)。使用HUD可以提高飛行員的飛行品質(zhì)：

（1）增強(qiáng)飛行情景意識，飛行員通過HUD平視組合顯示器獲得飛行狀態(tài)信息，無需再低頭看常規(guī)儀表，極大地增強(qiáng)了飛行員的情景意識，防止丟失飛行狀態(tài)。

（2）減少飛行技術(shù)誤差，以柯林斯的HGS 為例變常規(guī)儀表的飛機(jī)姿態(tài)指引為軌跡指引，而且信號靈敏度高，飛行員視野廣，可以與目前正在推廣的RNP技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，最大限度地提高了人工操縱的飛行諸元精度，能減少飛行技術(shù)誤差。

（3）有助于實(shí)施穩(wěn)定進(jìn)近，減少重著陸和擦機(jī)尾事件的發(fā)生。根據(jù)山航運(yùn)行統(tǒng)計，使用HUD運(yùn)行整體三級事件發(fā)生率明顯下降，如圖3所示使用HUD運(yùn)行三級事件發(fā)生率為5．44%，不使用HUD三級事件發(fā)生率為6．94%，使用HUD后三級事件發(fā)生率降低了21．6%。使用HUD發(fā)生的三級事件中有許多是飛行員對HUD的使用不夠嫻熟造成的。

圖3 三級事件發(fā)生率比較

（4）能夠精確預(yù)測接地點(diǎn)，Ⅰ類ILS信號在190英尺（約57.9米）以下就不再可靠。以HGS為例當(dāng)飛機(jī)以AⅢ模式下進(jìn)近到離地面190英尺時系統(tǒng)就開始比較計算出的趨勢下劃線與盲降信號，進(jìn)近到140英尺就不再使用盲降信號，而是使用計算機(jī)計算出的引導(dǎo)軌跡，提高了接地點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

使用HUD運(yùn)行能夠提高飛行運(yùn)行品質(zhì)，這也促使國際民航組織對其運(yùn)行降低標(biāo)準(zhǔn)；即通過驗(yàn)證批準(zhǔn)可以在Ⅰ類盲降設(shè)備上實(shí)施特殊Ⅰ類運(yùn)行、特殊Ⅱ運(yùn)行甚至是Ⅲ類運(yùn)行。這樣在節(jié)省大量的機(jī)場建設(shè)改造費(fèi)用的情況下，能提高航班正常率，增加航空公司經(jīng)濟(jì)效益。目前國內(nèi)多家航空公司已具備實(shí)施特殊Ⅰ類運(yùn)行的資質(zhì)；山航作為國內(nèi)HUD試點(diǎn)單位，已有10年的HUD運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，具備了RVR200米起飛能力。據(jù)民航資源網(wǎng)消息，2015年2月26日濟(jì)南機(jī)場大霧天氣，能見度持續(xù)降低，最低至RVR（跑道視程）100米左右，遠(yuǎn)低于濟(jì)南機(jī)場最低起飛標(biāo)準(zhǔn)RVR400米的要求。上午10：00，跑道RVR升至200米，山東航空公司由B－5781飛機(jī)執(zhí)行的SC1177航班使用HUD RVR200米起飛程序安全起飛。這是中國民航歷史上首次實(shí)現(xiàn)運(yùn)用HUD技術(shù)在RVR200米條件下起飛，對提高民航運(yùn)行能力具有深遠(yuǎn)意義。

3 使用HUD實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行要解決的問題

通過上文可知使用HUD能夠提高飛行運(yùn)行品質(zhì)和運(yùn)行能力，但是使用HUD實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行還需注意以下幾個問題。

（1）要注意航向信標(biāo)臨界區(qū)和敏感區(qū)的保護(hù)，臨界區(qū)和敏感區(qū)如下圖所示。臨界區(qū)內(nèi)要求無障礙物，也不應(yīng)有任何地面交通活動。敏感區(qū)是比臨界區(qū)更大的一片區(qū)域，實(shí)施特殊二類運(yùn)行時，未經(jīng)許可的航空器和車輛不應(yīng)進(jìn)入敏感區(qū)，同時等待位置應(yīng)在敏感區(qū)外。一些比較老的機(jī)場要對敏感區(qū)保護(hù)可能會存在一些問題，對于新建機(jī)場在規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)考慮到臨界區(qū)和敏感區(qū)的保護(hù)。

圖4 臨界區(qū)

圖5 敏感區(qū)

（2）要重新對飛行程序進(jìn)行評估。要按二類精密進(jìn)近程序評估標(biāo)準(zhǔn)對各個進(jìn)近復(fù)飛程序進(jìn)行評估，檢查是否滿足超障要求。

（3）對燈光系統(tǒng)和輔助設(shè)備的要求主要包括：要有簡易燈光系統(tǒng)或帶有順序閃光燈的Ⅰ類進(jìn)近燈光系統(tǒng)；一秒鐘切換的電源及燈光監(jiān)視系統(tǒng)；接地區(qū)RVR。

（4）現(xiàn)在機(jī)坪區(qū)域要劃歸機(jī)場指揮，故機(jī)組、空管、機(jī)場三方要建立順暢實(shí)時信息交流通道，協(xié)同好地面與空中的間隔。

（5）實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行，要面臨的一個重要問題是建立地面運(yùn)行程序?，F(xiàn)如今在低能見度條件下實(shí)施起降的飛機(jī)數(shù)量有限，可以采取使用followme車引導(dǎo)的方式引導(dǎo)飛機(jī)滑行，但是在使用HUD后航空公司低能見度運(yùn)行能力得到提高，機(jī)場流量回大幅提高。如果單純依靠followme車引導(dǎo)的方式就不能滿足要求了。所以建立機(jī)場先進(jìn)的地面引導(dǎo)和監(jiān)視系統(tǒng)是一個亟待解決的難題。

4 總結(jié)與展望

HUD在民航的推廣應(yīng)用將會提高飛行員的飛行品質(zhì)，使飛行變得更加簡單；同時也能提高航空公司在低能見度下的運(yùn)行能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時HUD在中國民航的推廣應(yīng)用也不是一件可以一蹴而就的事情，從2004年山航在一架波音737上加裝HUD到2015年獲得在青島流亭機(jī)場實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行資質(zhì)用了10年多的時間。中國民航在HUD的推廣應(yīng)用中遇到了許多問題和困難，但是經(jīng)過10多年的探索研究，我們對HUD有了更深的認(rèn)識，也積累了許多研究成果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，具備了在Ⅰ類儀表著陸設(shè)備上實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行的能力。

HUD在中國民航的應(yīng)用目前按照中國民航局發(fā)布的HUD應(yīng)用路線圖穩(wěn)步推進(jìn)，其效益將會逐步顯現(xiàn)，未來將會實(shí)現(xiàn)HUD的特殊Ⅲ類運(yùn)行，中國民航的全天候運(yùn)行能將會得到極大提高。同時如文章第3部分所述，在HUD的應(yīng)用中還有一些問題需要研究解決。

［1］費(fèi)益，季小琴，程金陵．平視顯示系統(tǒng)在民用飛機(jī)上的應(yīng)用［J］．電光與控制，2012（3）.

［2］楊秀芝．平視顯示器的設(shè)計［J］．福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000（4）.

［3］劉小磊．民航領(lǐng)域 HUD 技術(shù)淺析［J］．科技資訊，2014（13）.