張 帆，王睿璇，肖國松，王 鵬

（中國民航大學(xué)a.民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.適航學(xué)院，天津 300300）

機(jī)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(dǎo)引功能實(shí)現(xiàn)飛行航跡指引，使飛行員能夠隨時(shí)依據(jù)指示修正飛機(jī)飛行狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化飛行，從而在低能見度下完成滑跑、起飛、進(jìn)近等飛行任務(wù)，對(duì)改善飛行品質(zhì)、提升航空安全水平、增進(jìn)社會(huì)效益具有重要意義[1]。

隨著中國民航運(yùn)輸總量和機(jī)隊(duì)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(yùn)行能力，降低氣象條件對(duì)飛機(jī)安全運(yùn)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(dǎo)在飛機(jī)和模擬機(jī)上裝配HUD，并基于相關(guān)運(yùn)行規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所研制的HUD 功能與性能進(jìn)行驗(yàn)證與批準(zhǔn)。

HUD 作為CAAC 近期重點(diǎn)推進(jìn)的四大航行技術(shù)之一，根據(jù)《平視顯示器應(yīng)用發(fā)展線路圖》[2]，在2020年以前，其裝機(jī)率應(yīng)達(dá)到50%，所有具備條件的機(jī)場(chǎng)將在進(jìn)近圖中公布特殊Ⅰ類、特殊Ⅱ類和起飛最低標(biāo)準(zhǔn)。中國航空運(yùn)輸量持續(xù)快速增長，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行保障壓力增加，而具備低能見度運(yùn)行條件機(jī)場(chǎng)數(shù)量不多。截至2019年底，中國具備HUD 特殊Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)機(jī)場(chǎng)97個(gè)，特殊Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)機(jī)場(chǎng)21 個(gè)，具備HUD RVR150 m起飛標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)場(chǎng)11 個(gè)；全行業(yè)共有運(yùn)輸航空公司62家，僅19 家具備HUD 運(yùn)行能力；全民航在冊(cè)航空器數(shù)量3 818 架，僅1 183 架運(yùn)輸飛機(jī)具備HUD 能力[3]。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)，中國機(jī)隊(duì)規(guī)模較大的B737NG 和A320 系列飛機(jī)的HUD 裝機(jī)率尚且不足，距離CAAC提出的“截至2025年實(shí)現(xiàn)HUD 的100%裝機(jī)率”的目標(biāo)差距巨大。運(yùn)輸飛機(jī)方面，真正具備HUD 能力的飛機(jī)僅占31%，仍有69%的飛機(jī)尚未取得HUD 運(yùn)行資格。機(jī)場(chǎng)方面，中國具備低能見度運(yùn)行條件的機(jī)場(chǎng)數(shù)量不足，機(jī)場(chǎng)設(shè)施升級(jí)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(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)降標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，經(jīng)CAAC特殊批準(zhǔn)，可在不滿足標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類機(jī)場(chǎng)實(shí)施特殊Ⅱ類運(yùn)行，從而降低機(jī)場(chǎng)升級(jí)負(fù)擔(dān)，提高運(yùn)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(shí)，也為運(yùn)行引入了新的安全風(fēng)險(xiǎn)，其導(dǎo)引功能作為飛機(jī)導(dǎo)引系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系著整機(jī)全天候飛行安全，也是局方審定中重點(diǎn)關(guān)注的問題。中國在相對(duì)宏觀的層面針對(duì)HUD 運(yùn)行審定頒布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但未有明確針對(duì)其導(dǎo)引功能的驗(yàn)證與批準(zhǔn)所提出的解決方案及相應(yīng)的運(yùn)行審定類指導(dǎo)文件，目前有關(guān)HUD 導(dǎo)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(chǔ)，從審定文件體系、審定要素和要求等方面進(jìn)行研究，以期為國產(chǎn)HUD 運(yùn)行審批提供理論支持。

1 基于HUD 導(dǎo)引功能的標(biāo)準(zhǔn)體系

1.1 研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系

實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的前提是具備相應(yīng)的功能，且滿足適航要求?！妒褂闷揭曪@示器（HUD）運(yùn)行的評(píng)估與批準(zhǔn)程序》（AC-91-FS-2017-03R2）[5]明確規(guī)定：實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類或特殊Ⅱ類運(yùn)行，HUD 必須具備導(dǎo)引能力，否則應(yīng)結(jié)合Ⅲ型自動(dòng)駕駛導(dǎo)引能力；實(shí)施低能見度起飛，HUD必須具備導(dǎo)引能力。HUD 作為復(fù)雜航電設(shè)備，其集成、資源共享、軟/硬件邏輯復(fù)雜程度，均使得研發(fā)面臨著挑戰(zhàn)。

為推進(jìn)HUD 的研發(fā)，國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)發(fā)布了SAE ARP 5288“運(yùn)輸類飛機(jī)HUD 系統(tǒng)”及SAE AS 8055“機(jī)載HUD 系統(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)HUD 導(dǎo)引功能及性能提出了建議。為證明功能的適航符合性，在導(dǎo)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(dǎo)引功能性要求；AC 25.1329-1C“飛行導(dǎo)引系統(tǒng)的批準(zhǔn)”明確了HUD 導(dǎo)引功能設(shè)計(jì)及低能見度運(yùn)行要求；HUD 作為高安全性等級(jí)設(shè)備，應(yīng)滿足AC 25.1309-1A“系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析”的安全性需求。此外，整個(gè)功能的研發(fā)過程要滿足SAE ARP 4754A“民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南”及SAE ARP 4761“民機(jī)機(jī)載系統(tǒng)及設(shè)備安全性評(píng)估過程指南與方法”要求。研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系間關(guān)系如圖1所示。

圖1 HUD 導(dǎo)引功能研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.1 Development standard system of HUD guidance function

1.2 運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)體系

HUD 系統(tǒng)完成研發(fā)并申請(qǐng)取得適航批準(zhǔn)后，投入市場(chǎng)運(yùn)行，需滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，并申請(qǐng)運(yùn)行批準(zhǔn)。作為新的航行技術(shù)，HUD 的一個(gè)重要用途就是支持全天候運(yùn)行。CAAC AC 91-FS-2012-16“航空器運(yùn)營人全天候運(yùn)行要求”明確規(guī)定了申請(qǐng)實(shí)施全天候運(yùn)行的運(yùn)營人應(yīng)進(jìn)行運(yùn)行演示，以測(cè)定或驗(yàn)證航空器的飛行引導(dǎo)系統(tǒng)。FAA AC 120-29A“Ⅰ、Ⅱ類氣象條件下進(jìn)近的最低運(yùn)行批準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定了導(dǎo)引系統(tǒng)性能、進(jìn)近程序及批準(zhǔn)要求。FAA AC 120-28D“Ⅲ類氣象條件下起飛、著陸及滑跑的最低運(yùn)行批準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定了使用HUD的Ⅲ類導(dǎo)引系統(tǒng)性能、運(yùn)行程序及批準(zhǔn)條件。

此外，使用HUD 可能具備降標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件，因此考慮到機(jī)場(chǎng)設(shè)施、機(jī)載系統(tǒng)的導(dǎo)引能力，CAAC 發(fā)布了AC 91-FS-2017-03R2“使用HUD 運(yùn)行的評(píng)估與批準(zhǔn)程序”，明確提出使用HUD 可實(shí)施除了標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ、Ⅱ類運(yùn)行外，在滿足功能及運(yùn)行要求基礎(chǔ)上，可實(shí)施特殊Ⅰ、Ⅱ類運(yùn)行及低能見度起飛（LVTO,low visibility takeoff）。該文件為使用HUD 的運(yùn)行批準(zhǔn)及機(jī)場(chǎng)制定和公布HUD 運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)提供指南，同時(shí)為CAAC 進(jìn)行HUD 運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的審定與批準(zhǔn)提供依據(jù)和指導(dǎo)。運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)體系間關(guān)系如圖2所示。

圖2 HUD 運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.2 Operation standard system of HUD

2 HUD 導(dǎo)引功能審定要求分析

2.1 審定要素分析

HUD 設(shè)備實(shí)現(xiàn)裝機(jī)取證時(shí)，在實(shí)際針對(duì)HUD導(dǎo)引功能的審定過程中，審定要素涉及設(shè)備自身的適航、運(yùn)行程序和性能等要求。以檢查單的形式對(duì)各部分的審定關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行歸納，如表1所示（1ft=0.304 8 m）。

表1 HUD 導(dǎo)引功能運(yùn)行審定要素分析Tab.1 Analysis of operation certification elements of HUD guidance function

2.2 進(jìn)近評(píng)估要素分析

2.2.1 進(jìn)近航跡評(píng)估

根據(jù)AC-91-FS-2017-03R2，使用HUD 實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類及特殊Ⅰ類運(yùn)行，對(duì)其導(dǎo)引能力不做要求，且使用階段僅為進(jìn)近至決斷高度DH（decision height）；使用HUD 實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類和特殊Ⅱ類運(yùn)行，則要求其自帶導(dǎo)引至接地功能。

對(duì)進(jìn)近航跡的評(píng)估應(yīng)考慮垂直航跡基準(zhǔn)進(jìn)近和無垂直航跡基準(zhǔn)進(jìn)近兩種類型。前者應(yīng)按地基準(zhǔn)則采用剖面偏離評(píng)估，后者應(yīng)采用高度損失評(píng)估。兩種評(píng)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(jī)機(jī)輪相對(duì)于1∶29 斜線相交點(diǎn)的幾何關(guān)系，可確定失效情況對(duì)進(jìn)近的影響。高度損失法應(yīng)按3°的下降路徑和正常進(jìn)近速度下降，以垂直高度損失評(píng)估飛行航跡偏差，差值為飛機(jī)機(jī)輪高度與正常機(jī)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(diǎn)分布評(píng)估

根據(jù)AC-91-FS-2017-03R2，若使用HUD 實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類和特殊Ⅱ類運(yùn)行，則對(duì)HUD 有使用自備導(dǎo)引至接地能力的要求。

根據(jù)國際民航組織針對(duì)航空器著陸系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定，航空器接地點(diǎn)在機(jī)場(chǎng)接地區(qū)以外的概率應(yīng)當(dāng)小于1×10-6。對(duì)航空器著陸點(diǎn)位置的評(píng)估，可采用模擬機(jī)數(shù)據(jù)分析，將飛行員反應(yīng)時(shí)間和視野轉(zhuǎn)換時(shí)間作為模型輸入指標(biāo)，著陸點(diǎn)位置坐標(biāo)作為輸出指標(biāo)，并將相關(guān)飛行數(shù)據(jù)擬合于跑道，分別對(duì)使用和未使用HUD 導(dǎo)引功能進(jìn)行著陸的航空器在接地區(qū)外接地的概率進(jìn)行計(jì)算，與規(guī)定概率比較以判斷HUD 導(dǎo)引功能是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)[11]。

3 審定案例

3.1 系統(tǒng)描述

典型民機(jī)HUD 由HUD 計(jì)算機(jī)、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(jī)的儀表著陸系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、機(jī)載防撞系統(tǒng)等系統(tǒng)交聯(lián)，且自帶導(dǎo)引功能。計(jì)算機(jī)接收傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算出飛行操縱導(dǎo)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(dǎo)其在起飛、進(jìn)近、拉平和滑跑過程中實(shí)施精準(zhǔn)飛行。

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

導(dǎo)引功能用于飛機(jī)的低能見度運(yùn)行，由導(dǎo)引提示符號(hào)實(shí)現(xiàn)。飛機(jī)下降至一定高度時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)下滑軌跡計(jì)算出趨勢(shì)下劃線，下降至門限值后HUD 將指引飛機(jī)按計(jì)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(dǎo)引符號(hào)，使飛行航跡提示符與導(dǎo)引提示符重疊，以控制飛行航跡實(shí)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(duì)其導(dǎo)引能力的適航審定及審定中的運(yùn)行評(píng)估要求進(jìn)行說明。本例改裝HUD 為重要機(jī)載設(shè)備改裝，參照《航空器型號(hào)合格審定程序》（AP-21-AA-2011-03-R4）[13]申請(qǐng)補(bǔ)充型號(hào)合格證（STC,supplemental type certificate）。

在適航審定的過程中，應(yīng)盡早考慮可能影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的運(yùn)行要求。航空器評(píng)審小組（AEG，aircraft evaluation group）作為民航局飛行標(biāo)準(zhǔn)部門與適航審定部門在航空產(chǎn)品初始型號(hào)審定和后續(xù)運(yùn)行管理過程中的橋梁，全程參與重要改裝的評(píng)審。通過AEG 在型號(hào)審定過程中使用和運(yùn)行角度的評(píng)估，可確保產(chǎn)品制造方將可運(yùn)行的航空產(chǎn)品交付給用戶。運(yùn)行評(píng)估過程中的關(guān)注重點(diǎn)為HUD 運(yùn)行程序、操縱性能及導(dǎo)引運(yùn)行資質(zhì)等要素。

3.2.1 審定基礎(chǔ)和符合性方法的確定

對(duì)HUD 導(dǎo)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(chǔ)。CCAR 25.1301 對(duì)系統(tǒng)的功能和安裝提出通用要求；CCAR 25.1309 涉及飛機(jī)所有系統(tǒng)和設(shè)備，對(duì)飛機(jī)與系統(tǒng)的安全性提出要求；CCAR 25.1329 對(duì)飛行導(dǎo)引系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛、自動(dòng)推力和飛行指引等功能提出要求。對(duì)各規(guī)章的審定要素及符合性方法進(jìn)行分析，如表2所示。

3.2.2 工程驗(yàn)證試驗(yàn)及符合性檢查

工程驗(yàn)證試驗(yàn)是本例產(chǎn)品進(jìn)行型號(hào)合格審定的必經(jīng)過程。對(duì)于HUD 的導(dǎo)引功能，涉及零部件鑒定試驗(yàn)、系統(tǒng)功能試驗(yàn)及電磁干擾試驗(yàn)，審查內(nèi)容覆蓋表1及表2 的所有內(nèi)容。申請(qǐng)人在試驗(yàn)前向?qū)彶榉教峤幌嚓P(guān)試驗(yàn)大綱，包括工程圖、鏟平構(gòu)型、設(shè)備清單、試驗(yàn)步驟等，獲批后，審查方將發(fā)出制造符合性檢查單。申請(qǐng)人進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)前應(yīng)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(duì)試驗(yàn)前相關(guān)情況進(jìn)行檢查，確保其符合工程圖和試驗(yàn)大綱，滿足開展驗(yàn)證試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)過程中，審查方以目擊方式監(jiān)督試驗(yàn)過程。

表2 HUD 導(dǎo)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(dǎo)引驗(yàn)證需要進(jìn)行工程分析。通過審查導(dǎo)引算法及建模、模擬過程，理解導(dǎo)引原理及所采用方法的適用性和準(zhǔn)確性；在此基礎(chǔ)上，審查導(dǎo)引功能運(yùn)行結(jié)果，如進(jìn)近航跡、著陸點(diǎn)的分布結(jié)果，驗(yàn)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(guān)鍵系統(tǒng)，其發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸失效狀態(tài)的概率應(yīng)為極不可能，即平均每飛行小時(shí)不高于1×10-9。因此，作為系統(tǒng)單個(gè)組件模塊的HUD導(dǎo)引功能模塊不允許發(fā)生單點(diǎn)失效，其失效狀態(tài)應(yīng)得到識(shí)別，失效影響應(yīng)被評(píng)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(gè)失效狀態(tài)極不可能是不充分的，還應(yīng)包括對(duì)所有假設(shè)、數(shù)據(jù)源及分析方法工具的判斷，必要時(shí)通過適當(dāng)?shù)牡孛?、飛行或模擬試驗(yàn)來表明。無法執(zhí)行詳盡測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)的符合性應(yīng)通過研制保證來表明。

3.2.3 試飛驗(yàn)證

申請(qǐng)人進(jìn)行研發(fā)試飛獲得型號(hào)檢查核準(zhǔn)書（TIA）后，才能開始審定試飛。審查方在評(píng)估飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)管理過程，保證審定飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的可接受性，并批準(zhǔn)試飛大綱后，開展試飛審定工作。

HUD 系統(tǒng)試飛評(píng)估主要包括硬件評(píng)估，以及起飛、離場(chǎng)、儀表氣象條件（IMC,instrument meteorological condition）正常機(jī)動(dòng)、目視氣象條件（VMC,visual meteorological condition）極限機(jī)動(dòng)和手動(dòng)ILS 進(jìn)近著陸時(shí)的顯示特性評(píng)估[15]。HUD導(dǎo)引功能的審定試飛主要是評(píng)估飛行程序、導(dǎo)引性能，包括進(jìn)近航跡和著陸點(diǎn)分布，以及使用導(dǎo)引功能進(jìn)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(dǎo)引功能的使用限制和操縱程序[13]。

3.2.4 運(yùn)行評(píng)估

本例中HUD 在取得STC 過程中需要與AEG 及時(shí)溝通，對(duì)導(dǎo)引功能的運(yùn)行及維護(hù)進(jìn)行評(píng)估。適航取證后，投入市場(chǎng)前應(yīng)基于前期適航審定的結(jié)論，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估，以證實(shí)HUD 導(dǎo)引功能對(duì)運(yùn)行的有效性。AC-91-FS-2017-03R2 中規(guī)定，每類運(yùn)行均需進(jìn)行真機(jī)驗(yàn)證，申請(qǐng)人每增加1 個(gè)裝備HUD 的新機(jī)型、對(duì)已有機(jī)型增加或改裝HUD 型號(hào)，均需演示驗(yàn)證1 次。AC 25-7D 中規(guī)定，在額定ILS 波束上Ⅰ類運(yùn)行應(yīng)至少進(jìn)行4 次進(jìn)近，Ⅱ類運(yùn)行至少進(jìn)行20 次進(jìn)近。在該過程中可對(duì)進(jìn)近航跡和接地點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，以保證導(dǎo)引性能與安全性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

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

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

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

研究將對(duì)HUD 系統(tǒng)研制提供理論基礎(chǔ)，并為工業(yè)方和局方開展HUD 系統(tǒng)運(yùn)行審定提供支持。下一步將從運(yùn)行評(píng)估技術(shù)出發(fā)，研究符合中國國情的HUD系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推動(dòng)國產(chǎn)機(jī)載設(shè)備的運(yùn)行。