新的航空技术让飞行"视"界大不同(图)

HUD设备为飞行员提供了更加清晰的“视”界

　　波音737－800飞机安装的HUD设备

　　在夜间或低能见度条件下，EFVS能提供更加清晰的外部环境视景

　　编者按：从某种意义上说，“靠天吃饭”始终是民航运行中的突出问题。风、雨、雪、雷等天气，以及夜间和低能见度等气象条件，都直接影响着民航的安全和正点运行。如何应对这些影响民航正常运行的天气现象，提升飞行运行品质，是民航系统不断探索和研究的课题。随着平视显示器（HUD）、增强飞行视景系统（EFVS）和增强型气象情报系统（EWINS）的逐步应用，这些新的航空技术正在不断破解坏天气给民航带来的难题，成为安全飞行的“保护伞”。HUD和EFVS的使用，可以显着提高飞行员的情景意识和飞行品质。无论是在夜间还是在低能见度条件下，飞行员的飞行“视”界都将大为扩展，也更加清晰。而EVINS系统的使用和新一代航空气象系统的建立，将大大提高民航气象的服务能力和水平，对确保持续安全、减少天气对飞行安全和效率的影响起着至关重要的作用。

　　HUD：平视更舒适，飞行更安全

　　平视显示器（简称HUD）是一种具有世界先进技术水平的机载光学显示系统。它可以把飞机的飞行信息准确地投射到飞行员视野正前方的透明显示器上，使飞行员在整个飞行过程中，始终保持平视状态飞行，不再频繁地低头俯视仪表或抬头关注外界目视参照物。这项新技术能极大地提高飞行员的飞行状态感知能力和精准操作能力，对提高飞行安全品质和低能见度条件下的运行安全水平具有十分重要的作用。

　　HUD的前世今生

　　HUD系统用于航空业可以追溯到上世纪二三十年代，最早用于军用飞机上。在上世纪80年代，美国阿拉斯加航空公司将这套军用飞机上的HUD技术用于民用航空干线飞机领域，解决了在复杂地形和天气条件下的航路及机场的飞行安全问题。经过20余年的发展，HUD被越来越多的航空公司所认可和选装，波音公司与空客公司都把HUD作为驾驶舱必备设备分别安装在波音787、空客A380飞机上。

　　HUD系统的构造，主要由显示组件、控制组件、计算机和电源等部分组成。它的工作程序，首先是有效接收机载导航系统或者飞行指引系统的信息，然后利用计算机将已接收的信息数据进行处理并生成符号显示，最后再通过飞行员头部后上方的投影设备，将飞行信息符号投影到飞行员视野正前方的显示屏上，与外部视景相叠加。这些信息包括:主飞行显示（PFD）和导航显示（ND）上显示的飞行信息、飞机的空速、地速、姿态等内容。

　　HUD利用自身计算机处理和生成一些其他重要的飞行数据和指引信息，显示一些传统仪表无法显示的符号和数据，包括：空中防撞、风切变改出、剩余跑道长度、防擦机尾、加减速度提示等。HUD系统在向飞行员提供飞行指引的同时，成为安全运行的“保护伞”。

　　近年来，国际民航组织建议各国民航当局将HUD技术作为提高飞行安全品质的措施之一，并进行推广。目前，HUD设备已在全球22个国家的36家航空公司的4500余架飞机上使用。我国航空公司的飞机也按照中国民航局的安全要求使用这项成熟的航行技术。

　　HUD的优势

　　HUD系统的引进和应用，为我国民航飞行运行带来的安全效益是显而易见的。这项技术在使用中具有不同寻常的优势：

　　一是增强了飞行员的情景意识，提高了飞行运行品质。在以往的飞行运行中，由于飞机的仪表设备都设置在飞行员视线下方，飞机在进近、着陆过程中，飞行员必须靠建立目视参考判断飞机飞行的准确姿态和位置，判断飞机的下滑姿态及接地过程的准确性。在使用HUD设备后，飞行信息通过投影设备直接投射在显示器上，与外界视景叠加在一起，让飞行员保持平视姿态，在观察外界视景的同时，跟随飞行指引飞行,从根本上避免了飞行员丢失飞行状态的情况和凭经验飞行的传统习惯。

　　二是提高了全天候运行能力和航班正点率，降低了机场运行标准。HUD系统的飞行指引系统数据主要来自地面仪表着陆系统。在机场仪表着陆系统的航向、下滑信标指引工作正常的情况下，当出现低能见度天气时，飞行员只要跟随HUD的飞行指引飞行，按照HUD系统提供的指示精准操作飞机，到规定的决断高度建立目视参考后，就可准确地将飞机降落到指定跑道的接地区。

　　三是精确预测接地点位置，可采用连续下降方式（CDFA），有助于实施稳定进近。当飞机采用非精密方式进近时，可能需要飞行员在进近阶段实施一次或多次梯级下降，增加了飞行员工作负荷和在飞行关键阶段出现操作失误的可能性。HUD设备通过计算处理，可以精确预测出跑道位置和接地点，并确定给出一条连续下降的垂直轨迹。飞行员通过使用系统提供的垂直导航和进近引导指示，可以保持恒定下滑轨迹直至接地，从而大幅度减少了飞机平飘时间过长和重着陆事件的发生率，有助于飞机安全、稳定地进近着陆。

　　四是提供飞行信息辅助提示，防止不安全事件的发生。HUD设备能够精确地显示飞机起飞、着陆时剩余的跑道长度、加减速度信息等，能有效帮助飞行员监控飞机速度，避免冲出跑道；HUD生成的擦尾俯仰极限显示符号，能有效提示飞机擦尾极限的俯仰角裕度，防止擦机尾事件的发生。

　　HUD在中国民航的应用

　　自2005年起，中国民航局在山东航空公司进行了HUD系统推广应用试点工作。截至目前，山东航空已在40余架波音737-800飞机上安装了HUD设备，并已具备了使用HUD设备实施II类运行的资格。民航局还颁发了关于飞机使用HUD的运行政策与标准，在北京首都机场、上海浦东机场等7个国内主要机场公布了基于HUD设备的运行最低标准。中国民航局在推动航行新技术方面已经走上国际合作的道路，在HUD实施发展路线图中制定了实施规划，提出在2013年～2025年分3个阶段在所有适用的飞机上安装HUD设备。

　　中国民航局希望通过HUD这项新技术在全行业的应用，进一步提升我国民航飞行安全品质和提高运行效率，帮助解决民航运输系统在快速发展中所面临的诸多运行挑战。

　　一是缓解航空公司安全压力，提高航班正点率，创造更好的经济效益和社会效益。HUD设备的应用，可以显着提高航空公司运行风险控制能力和航班正点率，有助于航空公司创造更多的经济效益和社会效益。

　　二是减少机场基础设施升级负担，提升机场运行保障效能。目前，我国具备低能见度运行保障能力的机场数量不多。按照传统方式建设或将现有I类运行的机场改造成II类运行机场，不仅资金投入量大，而且技术难度高。通过使用HUD设备，在不增加机场基础设施投入和运营成本的情况下，能够进一步降低机场运行标准，增强机场的通达性。

　　三是在特殊机场运行中，减少不利因素的影响，降低飞行员工作负荷，获得更高的运行效益。我国现有40余个特殊机场。在特殊机场运行中，因周边复杂的地形、较少的地面保障设施、恶劣的气象条件，可能给飞行员实施精确飞行造成困难。在使用HUD设备后，飞行员能够对外界环境进行持续有效的监控，飞行的安全裕度将大为增加。

　　EFVS：让飞行有了全天候的“眼睛”

　　增强飞行视景系统（EFVS）是一种机载电子系统。该系统利用图像传感器技术，向飞行员提供机场跑道、周围地形和障碍物特征的实时图像,并在飞行中向飞行员提供平视引导，从而显着提高飞行员的情景意识和飞行品质。

　　EFVS技术使用情况

　　EFVS技术最早源于军方，美国F-18、C-130等飞机上均装有EFVS设备。该技术有效整合了平视显示器（HUD）和增强视景系统（EVS）这两项新技术，包含了显示组件、控制组件、传感器、计算机和电源等组成部分。其特点是，利用前视红外线、毫米波雷达或其他技术，探测外部环境实时图像，并用摄像机把图像拍摄下来，经过图像传感和处理，将图像视景信息投射到HUD上，然后再与HUD提供的飞行操纵指引及显示信息相叠加，使得整个飞行环境清晰可见，为飞行员实施精确飞行提供有力保障。

　　EFVS设备早在2001年就通过了美国联邦航空局（FAA）的相关认证，最早应用于湾流公司G450和G550飞机上。EFVS设备于2007年升级到第二代设备，即EFVS2系统。从设备推广看，波音、湾流、达索等公司已经在其新机型中尝试装备EFVS设备。至今，全世界已有超过700余架飞机装备了EFVS，超过600名飞行员具备使用EFVS的资格。

　　中国民航局对EFVS系统的实施与应用高度重视，已将其确定为近年来着力试点应用的一项航行新技术，积极支持和鼓励航空公司更多更好地利用EFVS这一先进科技手段。自2012年3月起，中国民航局与华北地区管理局开展了对首都航空（公务机）公司G550机型EFVS应用试点工作，并于当年6月批复该公司运行。

　　EFVS的优势

　　EFVS的应用具有突出优势，具体表现在以下一些方面。

　　一是飞行员视觉能力和飞行状态感知能力得到明显提高。在过去长时期的飞行运行中，飞行员只能通过肉眼，判断和决定飞机能否顺利起飞或着陆，而能见度成为航班运行正常与否的关键因素。在应用EFVS设备后，飞行员能够依靠机载红外设备或雷达，获得外部环境图像信息，飞行“视”界大为扩展，也更加清晰。尤其是在夜间或低能见度条件下，飞行员可以依靠EFVS设备，获得更为宽阔的视野和更加清晰的外部环境视景，让飞行有了全天候的“眼睛”。

　　二是引入了“增强飞行能见度”概念，提高了航班正常率。在过去的飞行运行中，如果飞行员在进近程序决断高度（DA）或最低下降高度（MDA）处，不能通过肉眼识别下降所需的目视参考，则不能继续下降，必须选择复飞。而在使用EFVS设备后，飞行员在DA或MDA处，如果透过EFVS设备能够清晰地分辨或识别主要地形目标，则可以继续下降到跑道接地区之上30米的位置。它使得飞行员在进近中更容易下降到更低高度，以获得着陆所需的目视参考，从而减少复飞或备降的发生率。

　　三是提高了夜间和低能见度环境下运行能力，提升了飞行运行品质。EFVS设备有利于飞行员尽早发现跑道，观察附近的地形和周边障碍物，帮助飞行员判别跑道入侵情况，并规避危险事件的发生。由于EFVS本身是基于HUD设备的技术，HUD中提供的飞行信息符号又为飞行员实施更为精确、更加可靠的平视操纵提供了有力保障，有助于飞行员维持稳定进近，有效减少了可控飞行撞地（CFIT）和重着陆等危险事件的发生。

　　多样化的航空视景设备

　　EFVS系统只是当今世界民航探索和应用飞行视景新技术的一个缩影。与EFVS系统相类似，世界主要商用飞机和航电设备制造商仍在不断探索和开发新一代航空视景设备。其中，相对成熟的视景系统包括增强视景系统（EVS）、合成目视系统（SVS）和组合目视系统（CVS）。

　　EFVS系统必须建立在使用HUD的基础上，而EVS系统则可以单独使用，其图像信息不必叠加到HUD上。EVS只具有外部视景探测和显示功能，可以向飞行员提供跑道特征，以及周围地形和障碍物的图像,能够提高飞行员的情景意识。

　　与EFVS利用红外线或雷达探测外部环境实时图像的原理不同，SVS以飞机的位置和姿态为基准，并以存储的地形、跑道、障碍物数据库为基础，由航电设备计算处理，生成虚拟外部环境视景。SVS系统的图像覆盖了飞行员通过HUD看到的外部世界，也能增强飞行员夜间和低能见度条件下的情景意识。但是，SVS和EVS都不能用作确定“增强飞行能见度”的手段，也不能用作下降到DA或MDA以下的手段。

　　CVS系统结合了SVS和EFVS的功能，可以集成传感器探测的实时图像与计算机绘制的数据图像，叠加并显示在同一个HUD上。其特点是，综合运用了SVS系统和EFVS系统这两套独立信息源，从而为安全飞行提供了“双保险”。

　　随着EFVS、EVS等飞行视景新技术的不断研发与运用，未来的飞行“视”界还会大为不同。（陈曦光）