头部穿戴显示器在民用飞机上的应用

高成志 杨世保

摘 要：头部穿戴显示器（Head Worn Display，HWD）作为一种新兴的机载光学显示设备，在增强飞行安全性、提高航班正点率、降低运营成本等方面具有重要作用。本文在介绍HWD的基本工作原理、特点和功用的基础上，研究、分析HWD在民机上发挥的作用和优势，以及以HWD为基础发展形成的平视飞行导引系统、增强飞行视景系统、平视合成视景系统和平视组合视景系统的组成、工作原理，重点阐述了平视组合视景系统在民机上的作用。

关键词：头部穿戴显示器;民用飞机;增强飞行视景系统;平视合成视景系统;平视组合视景系统

Abstract： As a new airborne optical display device， head worn display （HWD） plays an important role in enhancing flight safety， improving flight punctuality， reducing operating costs and so on. Based on the introduction of the basic working principle， characteristics and functions of HWD， this paper studied and analyzes the functions and advantages of HWD in civil aircraft， as well as the composition and working principle of head up flight guidance system， enhanced flight visual system， head up synthetic vision system and head up combined vision system developed on the basis of HWD， and focused on the head up combined vision system in civil aircraft Function.

Keywords： head worn display;civil aircraft; enhanced flight vision system;head-up synthetic vision system;head-up combined vision system

戰斗机一般都装备有头盔瞄准具或头盔显示器。前者能为飞行员提供简单的武器瞄准标记;后者不仅能够显示武器瞄准标记，还可以显示主飞行信息并叠加显示传感器图像。随着航空电子技术、微处理器器件和波导显示技术的飞速发展，用于航空领域的头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）即头部穿戴显示器（Head Worn Display，HWD）被研发出来，并从2000年后开始应用于民用飞机领域。研究和实践表明，HWD能使飞行员平视操纵飞机，对改善飞行品质、提升飞行安全、减轻飞行员的工作负担等具有显著作用。特别是在应对低能见度起降过程中，HWD的应用可以实现低能见度起飞和降落，减少航班延误，提高乘客满意度，降低航空公司运营成本。HWD作为一种新兴的民机航电设备，国外的Thales、Elbit等公司都已研发出货架产品[1-2]，并制订了明确的商业推广计划和产品适航取证计划。

1 HWD的工作原理

HWD是一种可以穿戴在头部的显示设备，其采用波导显示技术，通过头部定位设备的辅助，使飞行员穿戴在头部以任意姿态观察飞机周围全方位视景时都能获得HWD的显示画面支持。HWD一般由结构模块、显示模块、定位模块、控制模块以及符号生成软件等组成。其中，显示模块主要包含中继光学部件、波导镜片、像源、信号处理单元等;定位模块一部分（如天线、陀螺、摄像机等）位于结构模块，另一部分（如反光标记）位于在驾驶舱的其他合适位置;控制模块安装在仪表板的遮光罩处，是飞行员控制HWD工作模式的接口，可以进行字符亮度调节、图像叠加模式切换等;符号生成软件则驻留在其他计算组件实体中。HWD的符号生成软件接收各种航电数据，如速度、高度、姿态、位置、风速、导航信息、导引指令等，经过计算和显示处理，生成HWD字符图像，并与飞机外景叠加在一起显示在波导镜片上。飞行员通过波导镜片，就可以同时观察到飞行、导航、导引信息和外景。

2 HWD的主要特点

HWD作为一种新型的机载光学显示设备，除了具有传统平视显示器（Head Up Display，HUD）的透过性、平视性、准直性和等角性这四个显著特点外，还具有价格低廉、安装简易、重量轻、体积小、视野不受限的典型特点。

第一，价格低廉。Thales公司在2015年推出了自己的HWD产品TopMax[1]，其造价仅是传统HUD的1/2。

第二，安装简易。与传统的HUD相比，HWD的安装无须安装支架，仅需要佩戴在飞行员头部，进行横纵两个方向的紧固即可。

第三，重量轻。Thales公司的TopMax产品重量小于0.37 kg，而该公司传统的HUD产品重量为15 kg。

第四，体积小。HWD可与BOSE耳机配合使用，与传统HUD相比，HWD更为小巧。

第五，视野不受限。HWD佩戴在飞行员的头部，可以随头部的运动而运动，可保证显示画面的完整性;而传统HUD受眼盒限制，飞行员必须在HUD的眼盒范围内才能观察到显示画面。

3 HWD在民用飞机上的典型应用模式

HWD在民用飞机上的典型应用模式主要包括以下五种：HWD单独使用;HWD与飞行导引技术相结合，构成平视飞行导引系统;HWD与增强视景系统（Enhanced Vision Syetem，EVS）相结合，构成增强飞行视景系统（Enhanced Flight Vision System，EFVS）;HWD与合成视景系统（Synthetic Vision System，SVS）相结合，构成平视合成视景系统（Head up Synthetic Vision System，HSVS）;HWD与EVS和SVS相结合，构成平视组合视景系统（Head up Combined Vision System，HCVS）。

3.1 HWD单独使用

HWD可以使飞行员平视获取飞机的速度、高度、姿态、位置、导航等关键飞行信息，而无须在低头俯视仪表与抬头观察外景之间进行切换，有效降低了飞行员的视觉疲劳，提升了飞行安全。此外，使用HWD操纵飞机，还可以显著提高飞行操纵精度，减少飞行技术误差，有效降低不稳定进近、重着陆、擦尾等飞行事故的发生。

3.2 HWD与飞行导引技术结合使用

HWD与飞行导引技术结合可以构成平视飞行导引系统。该系统一方面接收来自机场精密导航设施提供的飞机相对于跑道的角度偏差信号;另一方面接收根据飞机的速度、高度、姿态、位置、加速度、角速度、风速等数据计算出的飞行操纵引导指令，通过HWD显示给飞行员，引导飞行员在起飞、进近、拉平和滑跑过程中实现准飞行。

法国Thales公司已经进行了TopMax商用试飞。结果表明，基于HWD的平视飞行导引系统可以引导飞行员实施低能见度起飞和特殊Ⅰ类进近[1]。因此，HWD与传统HUD一样，在提高飞行精度方面具有特殊作用，装备有平视飞行导引系统的飞机在进近着陆时允许降低对地面导航设施的要求和最低着陆标准，经过特殊批准后，可以在Ⅰ类机场实施特殊的Ⅰ类进近着陆[3]。

3.3 HWD与EVS结合使用

HWD与EVS构成增强飞行视景系统（EFVS）。该系统利用增强视景系统提供的飞机前方的红外视景图像，增强了飞行员在云、雾、霾、雨、雪、夜间等气象条件下的飞行能见度，并与主飞行信息和导引信息叠加显示在波导镜片上，大大提高了飞行员的态势感知能力，从而达到降低着陆标准和对机场导航设施依赖的目的。

Elbit公司最新研制的EVS 5000产品涵盖了可见光、短波红外和长波红外等多个波段，不仅可以识别机场传统的卤素灯，还可以识别新装备的LED灯，克服了产品EVS Ⅰ和EVS Ⅱ不能识别LED灯的弱点，大大提升了应用范围。当前，Elbit公司正在ATR-600系列飞机上大力推广其头戴式显示器SKYLENS和EVS5000构成的EFVS，以提升ATR-600系列飞机的安全运营水平，降低航空公司的运营成本[4]。

3.4 HWD与SVS结合使用

HWD与SVS构成的平视合成视景系统（HSVS），其组成和工作原理如图1所示。该系统利用地形数据、障碍物数据、机场跑道数据生成三维虚拟视景，并将该视景与飞行仪表信息、指引信息和告警信息融合在一起叠加显示在HWD上。SVS具有显示范围广、距离远、分辨率高、不受天气状况影响的优势，可有效增强飞行员在夜间和低能见度天气下的情景意识，减轻飞行员的工作负担，减少飞行技术误差。此外，SVS可以使飞行员在飞行路径上看清地形和障碍物，达到“看到即避开”的效果，有效避免可控飞行撞地事故的发生，大大增强飞行安全。

当前，Thales公司已经在塞斯纳飞机上进行了HSVS的试飞验证，而Elbit公司也在ATR600飞机上进行了HSVS的试飞验证。而Honeywell公司开发的SVS已经具备了引导功能，实现了基于下视显示器（公务机）合成视景指引系统（Synthetic Vision Guidance System，SVGS）在Ⅰ类机场实时特殊Ⅰ类进近的适航批准，而且该SVGS还能有效降低飞机冲出跑道、起降时误判跑道的可能性[5]。未来，先进的SVGS与HWD的结合，将会大大提升民用飞机的驾驶体验。

3.5 HWD与EVS和SVS結合使用

HWD与EVS和SVS结合使用可以构成平视组合视景系统（HCVS），其组成和工作原理如图2所示。该系统利用EVS产生的增强视景图像和SVS生成的合成视景图像进行融合校准，并与主飞行信息以及导引信息一起叠加显示在HWD上。该系统发挥了SVS不受天气影响的优点，克服了EVS无法穿透较厚云层成像的缺点;发挥了SVS不受视场限制的优点，克服了EVS视场受限的缺点;发挥了SVS自有地形数据库、障碍物数据库和机场数据库的优势，克服了EVS受传感器性能的影响无法远距离成像的缺点。

当前，Elbit公司已将本公司的HCVS产品在ATR-600系列飞机上进行了试飞验证通过验证可知，在远离机场时，只显示SVS图像;当到达300 m高度时，开始显示经过融合的图像;随着高度的降低，EVS图像占整个画面的比例随之增大，直到60 m高度时全部转换为EVS图像。

4 HCVS在民机各飞行阶段的作用

HCVS支持美国NextGen的重要运行概念——等效目视运行（Equivalent Visual Operation，EVO）[6-7]。在实现EVO之前，在低能见度条件下，民机在达到仪表气象条件（Instrument Meteorological Conditions，IMC）时，就需要执行仪表飞行规则（Instrument Flight Rules，IFR）;在能见度高时，民机在达到目视气象条件（Visual Meteorological Conditions，VMC）时，就需要执行目视飞行规则（Visual Flight Rules，VFR）。而在实现EVO之后，民机可以在任何气象条件下执行VFR，从而提高机场的吞吐量和空域容量，具有更高的运行效率，也实现了更高的安全性。由于EVO适用于整个民机飞行剖面，因此HCVS在场面运行、起飞/离场、航路飞行、进近着陆、场面运行等阶段都能发挥重要作用。

4.1 场面运行中HCVS的作用

HCVS可以提供滑行导引符号、偏离路径告警符号。通过SVS画面显示冲出跑道告警和场面交通信息，自动检测跑道入侵并告警，通过EVS的实时外景图像提高察觉跑道入侵的概率，从而提高滑行速度、降低滑行间隔、减少停机坪等待、降低燃油消耗，以此大幅提升场面运行能力。

4.2 起飞/离场中HCVS的作用

根據空客公司对1958年至2014年空难的统计数据可知，起降阶段时间仅占总飞行时间的2%，但起降阶段发生的致命事故却占72%，因此起降阶段是航行安全的关键。HCVS既可以通过SVS提供最直观形象的近地告警和障碍物告警，又可以通过EVS的实时图像进行校正，还可以保持平视操纵飞机，极大地提升了飞行员对外景的态势感知能力，最大限度地提高了安全飞行裕度。此外，在低能见度条件下，HCVS还支持NextGen提出的“近距平行跑道”独立平行离场，这能显著提升枢纽机场的起飞效率和机场吞吐量，并大大提高起飞安全。

4.3 航路飞行中HCVS的作用

HCVS可以提供三维虚拟场景，如空中交通、航路、空域限制、天气等信息，增强飞行员的空域感知能力，提高飞行员对飞机的管控能力。

4.4 进近/着陆中HCVS的作用

当前，美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）已经批准使用EFVS（HUD+EVS）进近着陆到地面，而且正在修订FAR Part 91.175条款，使之适用于HWD。而之前FAA仅批准EFVS进近到离地30 m的决断高度，该限制的取消，可以大大减少航班延误率，提高机场的吞吐量。一方面，HCVS支持NextGen提出的“近距平行跑道”独立平行离场，这能显著提升枢纽机场的起飞效率和机场吞吐量，并大大提高起飞安全;另一方面，HCVS还支持NextGen提倡的RNP进近。而根据NASA的模拟飞行试验，HCVS能够降低RNP运行的最主要误差——飞行技术误差，以满足RNP规则。RNP进近航迹准确、进近路径段、空管引导和语音通信少，更加安全高效。

5 结语

HWD作为一种头戴式显示器，不仅能显著提高飞行操纵精度，增强飞行员的态势感知能力，使飞行员“看得更清，飞得更准”，而且不受传统HUD眼盒指标的限制，能够在提高民航运行安全、提高正点率和降低运营成本方面发挥重要作用。HWD作为一种新兴的机载显示设备，随着工业界试飞验证力度的加大，以及民航领域规章和政策的不断发展和落地，未来HWD的应用范围将会越来越大。

参考文献：

[1] Thales Group. TopMax， Wearable HUD for Commercial Aircraft， Cargo and Business Jet Pilots [DB/OL]. [2020-03-12].https：//www.thalesgroup.com/en/markets/aerospace/flight-deck-avionics-equipment-functions/topmax-wearable-hud-commercial-aircraft.

[2] Elbit Systems. SKYLENS operational freedom at your eye level [DB/OL]. [2020-03-12].https：//elbitsystems.com/media/Skylens_Aviation_Award_2016.pdf.

[3]王全忠，高文正.平视显示器在民用飞机上的应用研究[J].电光与控制，2014（21）：1-5.

[4] Elbit Systems. Elbit Systems and ATR sign an agreement for the integration of ClearVisionTM EFVS with the new SKYLENSTM wearable display onboard ATR-600s aircraft [DB/OL].[2020-03-12].http：//www.atraircraft.com/newsroom/pressrelease/elbit-systems-and-atr-sign-an-agreement-for-the-integration-of-clearvision-efvs-with-the-new-skylens-wearable-display-onboard-atr-600s-aircraft-1339-en.html.

[5]霍尼韦尔航空航天集团.霍尼韦尔Smart系列三款产品提升跑道安全[J].航空制造技术，2011（9）：104-105.

[6]Joint Planning and Development Office. NextGen Avionics Roadmap[EB/OL].（2011-09-30）[2020-02-20]. https：//www.doc88.com/p-466112320401.html.

[7] Frank Cupero，Brian Valimont，John Wise，et al. Head worn display system for equivalent visual operations[R].NASA/CR-2009-215781，2009.