平视显示系统在民用飞机上的应用

费 益， 季小琴， 程金陵

(中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 200436)

0 引言

平视显示(Head Up Display，HUD)最早是应用在战斗机上的一项技术［1］，它将各种飞行参数和武器瞄准信息等以字符和图像的方式通过准直光学系统，投影到飞行员眼中。近10年来，平显系统开始广泛应用于民用飞机，然而，民用飞机的平显系统与军用飞机在系统组成、架构上都存在较大区别，尤其是在适航符合性上，对民用飞机平显系统的设计、安装都提出了非常严格的要求。另外，随着航空公司对飞机起飞与着陆性能、飞行安全的要求不断提高，平显上显示的信息也越来越丰富，目前已开始逐渐被采用的就是增强视景与平显字符的融合显示，即增强飞行视景系统(Enhanced Flight Vision System，EFVS)，它使飞行员在观察平显上飞行参数的同时，又能看到飞机前方景物的红外图像，可以大大提高飞行员情境意识和飞行能见度。

1 平视显示系统的组成

民用飞机的平显系统通过飞行员头顶的一部投影装置，将经过筛选处理的一些重要飞行数据投影在位于风挡和飞行员头部之间的一块特殊光学透明玻璃上，飞行员不需低头就可以从这块玻璃上获取重要的飞行数据，又可以透过这块玻璃和风挡看驾驶舱外，获取必要的目视参考。平显上显示的信息包括(但不限于):飞行航迹矢量、俯仰和横滚姿态、航向、空速、地速、高度和气压设置、垂直速度、风速和风向、风切变提示信息、低能见度起飞指引、滑行导引、增强视景。

平显系统的主要组成部分包括5个外场可更换设备(Line Replaceable Unit，LRU):平显计算机、投影装置、组合仪、输入装置、指示装置［2］。

1)平显计算机。

平显计算机对来自各传感器和其他飞机系统的数据信息进行综合处理，并生成符号信息，送到投影装置和组合仪进行显示。平显计算机既可以是独立的LRU，也可以以模块的形式集成在综合模块化航电设备(Integrated Modular Avionics，IMA)中。

若平显系统采用独立的计算机，则其重量、外形尺寸、连接器及安装托架须满足ARINC600规范，重量设计目标为9 kg(19.8 lbs)，最大为15 kg(33 lbs)。独立计算机既可使用115 V 360～800 Hz单相交流电源，也可使用28 V直流电源。除满足自身电源需求外，它还为投影装置、组合仪及控制、指示板(如果有)提供电源。独立计算机采用强制空气冷却，工作时应为其提供每分钟1.2 lbs、温度在40°C以下的空气流，流过计算机的冷却空气压力为50±30 Pa。独立计算机在失去冷却空气的条件下应不会丧失全部功能，特别是在240 min内不能丧失关键功能。

2)投影装置。

投影装置是一个独立的LRU，根据显示像源的不同，投影装置有CRT和LCD两类，目前民用飞机上安装的平显投影装置以带LED背光照明的有源矩阵LCD(AMLCD)为主。投影装置通过ARINC818总线或DVI总线从平显计算机接收图像、符号及视频信息，经光学组件准直和校正后，投影到组合仪上，供飞行员观察。

投影装置的设计重量不应超过14 kg(30.8 lbs)，它从平显计算机获得电源，当平显计算机被集成时，投影装置使用28 V直流电源。投影装置一般采用自然的方式进行冷却。

3)组合仪。

组合仪也是一个独立的LRU，它是平显系统的终端信息显示装置。组合仪的主要部件是一块镀有半反射膜的透明光学玻璃，它对可见光的透射率可达到90%以上，它将聚焦在无穷远处的光学符号显示在飞行员的正前方，使飞行员既能看到投影在组合仪上的飞行、导航及指引等信息，又能观察飞机外部环境，从而减少了飞行员抬头观察和低头看仪表之间的转换，降低工作负担。

组合仪的设计重量不应超过3.2 kg(7 lbs)，它由投影装置提供电源。

4)输入装置。

平显控制板(HUD Contorl Panel，HCP)作为平显系统的输入装置，用于亮度调节和符号简化显示选择，其一般安装在组合仪或遮光罩上。

HCP的设计重量不应超过1.35 kg(3 lbs)，它从平显计算机获得电源，当平显计算机被集成时，HCP使用28 V直流电源。

5)指示装置。

平显指示装置用于向机组通告平显系统的当前工作模式、工作状态及相关告警等信息。一般来说，平显指示装置上的通告信息可显示在主飞行显示器(Primary Flight Display，PFD，通常用于显示姿态、高度、空速等主要飞行参数)或多功能显示器(Multifunction Flight Display，MFD，通常用于显示地图、飞行管理、发动机参数、系统状态等飞行数据)上，而系统失效或故障信息可显示在中央警告系统中，所以一般不需要另外安装平显专用指示板。

2 平视显示系统的架构

平显系统根据不同飞机的安装要求和系统配置，其架构也有所不同。同时，平显系统的架构还受预定功能、安全性指标、航电系统架构、航电与非航电系统之间交联方式等因素的影响，可灵活配置。一般民用飞机上的平显系统有以下3种基本架构。

1)单平显架构。

单平显系统包括一个平显计算机、一个投影装置和一个组合仪，投影装置和组合仪安装在正驾驶一侧。单平显系统在设计时应确保系统工作模式和告警信息能被副驾驶看到。

单平显系统的架构如图1所示。

图1 单平显系统架构Fig.1 Single HUD architecture

2)双平显架构。

双平显系统包括两个独立的平显计算机、两个投影装置和两个组合仪，在任一时刻两个投影装置和组合仪可以同时工作。双平显系统可经过适航审定将平显作为PFD使用，当然，此时平显系统需要在显示格式与冗余管理等方面与下显系统进行综合。双平显系统在设计时应确保系统工作模式和告警信息能被非操作飞行员看到。

双平显系统有两种工作方式:第一种工作方式下，平显计算机驱动与它同侧的投影装置/组合仪;第二种工作方式下，平显计算机驱动与它同侧或对侧的投影装置/组合仪。第二种工作方式要求每个投影装置/组合仪可接收来自于两个平显计算机的信号。

双平显系统的架构如图2所示。

图2 双平显系统架构Fig.2 Dual HUD architectures

3)集成式平显架构。

集成式平显系统将平显计算机集成到IMA中，此时，平显系统需要在显示格式与冗余管理等方面与下显系统进行综合。

集成式平显架构减少了LRU的数量和机上电缆、减轻了设备重量、降低了功耗，也使信息在平显和下显之间实现共享，但是采用集成式平显架构与否会受到整个航电系统架构的影响。

3 平视显示系统设计和安装准则

目前FAR25/CCAR25(运输类飞机适航标准)中暂没有专门针对民用飞机平显系统设计的强制性条款，在系统设计过程中主要参考非规章类文件或咨询通告。例如美国汽车工程师协会颁布的ARP 5287对平显系统的光学性能给出了测量方法;ARP 5288对平显系统的功能、设计考虑、安全性分析、安装、视觉特性、显示信息、系统验证等作了较为全面的介绍;AS 8055给出了平显系统的最低性能标准。一直以来，民用飞机平显系统在适航取证过程中均以专用条件的形式补充适航条款中有关平显的空白。但随着平显系统在民用飞机，特别是新研机型上的应用越来越广泛，美国联邦航空管理局(FAA)也意识到现有适航条款的不足，于2010年6月22日发布了咨询通告AC 20－167。这部咨询通告对平显及相关系统的适航批准提供了参考性建议，虽然仍然是一部非强制性规章，但对平显系统设计、安装、测试、取证具有重要的指导意义。另外，国外一些成熟机型或先进机型上的平显设计经验也是系统设计过程中可遵循的准则。

3.1 平显系统与下显系统的关系

平显系统将各种重要飞行数据显示在飞行员正前方的组合仪上，同时这些飞行数据也显示在下显系统(主要是PFD)上。为了防止飞行员在观察平显和PFD时产生理解上的障碍，也为了减轻飞行员视觉上的负担，平显系统一般应使用与同侧PFD相同的数据源，并确保在显示格式、内容和参数上与PFD一致。平显和PFD的显示需要做到:1)符号必须具有相同的格式;2)相关的信息必须显示在同一个位置;3)数字输出必须具有相同的精度、单位和标志;4)模拟刻度必须具有相同的范围和动态操作;5)系统工作模式或状态转换提示除了颜色之外，均应一致。

3.2 平显系统的人机交互

一般来说，平显系统应设计成在整个飞行阶段都可用。而在实际应用中，滑行、起飞、进近、着陆是平显系统应用最为频繁的4个阶段，特别是对于具有低能见度起飞指引、着陆指引计算功能的平显来说，这4个阶段也是最能发挥平显优势的飞行阶段。另一方面，滑行、起飞、进近、着陆也是飞行员工作负荷最大、出错率最高的飞行阶段。因此，良好的人机界面是保证飞行员正确操作的前提。

在起飞前，平显系统需要得到系统计算指引信息所需要的数据，例如跑道长度、接地区标高等。这些数据一般可以从飞管数据库中获取，而无须机组手动输入。当确实需要机组通过HCP或键盘等设备手动输入系统运行所需的参数时，系统应具备无效数据提醒功能。

平显系统应能根据不同的飞行阶段自动选择工作模式和符号显示模式，也允许飞行员进行手动选择。平显工作模式一般有起飞模式、主模式、目视进近模式、仪表进近模式、滑行模式等，不同功能的平显系统具备的工作模式是不同的。符号显示模式只有全字符模式和防拥模式两种。在防拥模式时，空速和高度刻度带会由数字读数代替，同时画面下方的罗盘也会消失。平显工作模式和符号显示模式的手动选择应保证飞行员能够在不偏离设计眼位的情况下进行操作。

平显系统字符显示亮度一般也有手动控制和自动控制两种，如果没有手动的亮度控制，则系统必须提供自动亮度调节功能。当平显的字符上叠加了图像显示(如增强视景)时，系统还必须提供调节图像亮度或图像与字符之间对比度的手段。平显系统的亮度调节应保证飞行员能够在不偏离设计眼位的情况下进行操作。

平显系统的开关控制提供给飞行员选择使用或不使用平显的手段。但是平显的开关一般不需要设置一个单独的按钮，而是将开关功能与组合仪的收起操作耦合，即飞行员将组合仪翻至收起位置时，平显系统自动切断电源，组合仪位于工作位置时系统自动接通电源。

3.3 平显系统的安装要求

平显系统在驾驶舱中的安装，除应满足FAR25/CCAR25中规定的关于显示系统的安装要求外，同时还应满足以下要求［3］:

1)系统的安装应确保驾驶员头部三维轮廓和最靠近的平显系统结构之间的距离大于50 mm(2 in);

2)安装投影装置时，既要保证投影装置与机身轴向之间的光学校准，还要保证投影装置与组合仪之间的校准;

3)安装组合仪时也要保证其与机身轴向之间的光学校准。

当组合仪处在工作位置时，飞机挡风玻璃内表面和组合仪的任一部分之间的最小物理间隙应大于25 mm(1 in);当组合仪处在脱离位置时，上述最小物理间隙可以小于25 mm，但是在组合仪由工作位置向脱离位置转换的过程中，不能与飞机风挡玻璃内表面有物理接触。

4 平视显示系统在民用飞机上的应用

目前，除波音和空客系列的客机基本已安装平显系统外，在支线航空领域，庞巴迪的CRJ系列和巴西航空公司的ERJ系列飞机也逐步将该系统列为必装设备。国内使用平显系统的航空公司包括山东航空公司和厦门航空公司。本文以B737与B787飞机上的平显系统为例，说明平显在民用飞机上的应用与发展。

B737－800飞机装备Rockwell Collins生产的Model 4000平视指引系统，这是一个单平显架构的系统，该系统由5个LRU组成。平显计算机安装在电子电气设备舱内;HCP安装在中央操纵台上;投影装置和组合仪均装在正驾驶侧，其投影装置采用CRT像源;指示装置装在副驾驶侧的仪表板上。

Model 4000的平显上可以显示以下信息:飞行姿态、异常姿态、航向和飞行轨迹、飞行参考、飞行路径、攻角、速度、高度、工作模式、警告信息、导航信息、飞行指引、TCAS等。

B787飞机装备的是Rockwell Collins生产的2200平显系统，这是一个双平显架构的系统，其平显计算机已经被集成到IMA中，投影装置也采用了LCD单色(绿色)投影仪，没有专门的输入装置和指示装置。

2200平显系统的专用控制只有符号调节和亮度调节两种:符号调节控制开关位于操纵杆的外侧，用于在全字符模式和防拥模式之间进行转换，开关只控制同侧的平显;亮度调节有手动和自动方式，通过拔出和按下调节旋钮在两种方式之间切换，调节按钮位于顶部板前部，左右两侧各一个。

从波音公司新、老两代机型上安装的平显系统来看，平显系统的集成化程度越来越高:平显计算机逐步以模块的形式被集成到IMA中，平显系统的输入与其他系统的输入相结合，工作模式及告警通告等信息也在下显系统中显示，不再采用单独的指示装置。另外，过去采用CRT像源的投影装置也正被LCD像源所代替。在平显系统的功能上，从过去的以提供主飞行信息为主，到现在既能够提供起飞指引，又能够提供进近和滑出指引，平显的功能正在向提高恶劣天气环境下飞机的派遣率和降低着陆标准方向发展。特别是平显系统与视景增强系统(Enhanced Vision System，EVS)的结合，形成增强飞行视景系统(EFVS)，可大大提高飞行能见度，为飞行安全提供有效保障。

5 增强飞行视景系统

5.1 系统组成

根据美国联邦航空管理局定义，增强飞行视景系统是一种利用图像传感器(如前视红外或毫米波探测器)为飞行员提供飞行前方外部场景显示的电子系统［4］。

增强飞行视景系统将图像传感器采集到的信息送到图像处理模块中进行处理，并与平显显示字符进行融合，处理完的视频图像经视频总线传输到平显投影装置，最终显示在组合仪上。图3所示为增强飞行视景系统工作原理图，图4所示为增强飞行视景系统的显示效果。

图3 增强飞行视景系统工作原理图Fig.3 Working principle of EFVS

图4 增强飞行视景系统显示效果Fig.4 EFVS display

5.2 系统功能

增强飞行视景系统在飞行的各个阶段均可使用，但其重要作用体现在低能见度条件下辅助飞行员进行起飞、进近和着陆。经过按咨询通告AC120－29A(I类和II类进近的气象批准最低标准)或AC120－28D(III类起飞、着陆和滑行的气象批准最低标准)进行适航批准的增强飞行视景系统可以帮助飞行员按FAR91(一般运行和飞行规则)中的规定完成以下预定功能:

1)跑道视程300 ft(1ft=0.3048 m)条件下的低能见度起飞;

2)决断高度200 ft、跑道视程2400 ft的Ⅰ类仪表进近;

3)决断高度150 ft、跑道视程1800 ft的Ⅱ类仪表进近;

4)按照 FAR91.175(l)、(2)中的要求，在上述2)、3)两种情况下飞行员获得增强的飞行能见度，驾驶飞机下降至最低决断高度以下;

5)按照 FAR91.175(l)、(3)中的要求，在上述2)、3)两种情况下飞行员依靠增强飞行视景系统看清和辨别目的跑道的参照物(如跑道灯)，驾驶飞机继续进近至距离接地区标高100 ft的高度;

6)决断高度50 ft、跑道视程700 ft的Ⅲ类仪表进近。

需要指出的是，无论是否借助增强飞行视景系统，飞行员在距离接地区标高100 ft的高度必须能够目视辨别FAR91.175(l)、(4)中指定的跑道参照物，否则就必须执行复飞。

5.3 适航要素

如前文所述，由于缺乏针对性的适航条款，民用飞机增强飞行视景系统在适航取证过程中需要以专用条件的形式补充验证内容，并与通用的适航条款一起纳入系统的适航审定基础。增强飞行视景系统的专用条件可以从以下几个方面考虑并制定:

1)增强飞行视景图像不能降低飞行安全性，不能影响驾驶员观察外部目视参考;

2)增强飞行视景图像部分替代了FAR/CCAR 25.773中规定的驾驶舱视界，必须保证驾驶舱视界的安全和有效，不能降低驾驶员完成与驾驶舱视界相关任务的安全性和能力;

3)仪表进近时增强飞行视景系统的使用需满足FAR 91.175(l)中的要求;

4)其他与飞机相关的限制条件。

6 结束语

平视显示系统在民用飞机上的应用越来越广泛，然而相对于军用飞机，民机上的平显系统有着严格的适航要求。本文正是针对这一特殊性，对平显系统的组成、架构、设计与安装准则进行了详细的阐述。

现代民用飞机上的平显系统正朝着集成化、多功能化的方向发展。平显的功能已不再局限于提供主飞行信息，而是通过与其他系统的综合来提高飞机的飞行品质。本文以具体的例子说明了平显系统在民机上的应用与发展，并对平显系统的扩展应用即增强飞行视景系统作了初步研究。

［1］杨宁，董海涛，杨忠.平视显示器的装机工程设计研究［J］.电光与控制，2007，14(2):117-118.

［2］ARINC characteristic 764.Head-Up Display(HUD)system［S］.Airlines Electronic Engineering Committee，July 8，2005.

［3］ARP 5288.Transport category airplane Head Up Display(HUD)systems［S］.SAE，2001.

［4］DO-315.MASPS for enhanced vision systems，synthetic vision systems，combined vision systems and enhanced flight vision systems［S］.RTCA，Dec 16，2008.