通航领域HUD技术浅析

韩洪松 刘俊国 谢晓波

摘  要：该文对平视显示仪（HUD）进行了研究，重点研究了HUD技术在通航领域中的使用。通过回顾HUD技术的发展过程，突出强调了HUD在飞机上的使用价值。使用HUD显著地提高了飞机的安全性能。特别是使用HUD还提高了民用飞机全天候飞行能力，从而提高航班准点率。总之，HUD技术以及HUD与新航行技术的结合在民用航空业具有十分重要的使用价值。

关键词：HUD  通航  民航  安全性能

中图分类号：V24          文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（c）-0066-03

Abstract： In this paper， head up display （HUD） has been studied， and the application of HUD technology in navigation field is mainly studied. By reviewing the development process of HUD technology， the application value of HUD in aircraft is highlighted. The use of HUD significantly improves the safety performance of the aircraft. In particular， the use of HUD also improves the all-weather flight capability of civil aircraft， thus improving the flight punctuality rate. In a word， HUD technology and the combination of HUD and new navigation technology have very important use value in the civil aviation industry.

Key Words： HUD; Navigation; Civil aviation; Safety performance

平視显示仪（Head-up Display，HUD）也被称为“平视显示器”或“平视仪”。它方便飞行员透过外部视界查看重要的飞行信息。HUD可以提供的飞行信息有飞行参数、飞行姿态、着陆引导、导航信息、告警和警告显示等。在飞行过程中，飞行员无须低头俯视仪表，通过飞机前方视窗，就可以获取驾驶所需要的信息。

1  HUD的发展过程

HUD技术的首次应用是在飞机上。在飞机驾驶舱引入HUD技术，不仅方便飞行员透过外部视界查看飞行信息，还可以提高飞机的安全性能。目前，这种具有高性能的技术已经被民航领域和汽车领域所采用。

1.1 HUD的使用价值

20世纪20年代，HUD最早以光学瞄准器的形式在飞机上被使用。当时，光学瞄准器借助光学反射的原理，环状瞄准圈光网被投射在一片玻璃或驾舱罩上面，被投射的影像位于无限远的距离，以不影响飞行员瞄准目标时眼睛的运作，从而获得清晰的显示。人们在30年代就已经研制出反射式光学瞄准具。1955年，英国皇家研究院在得到航空医学院、兰克、辛塔尔公司的支持下，首先提出HUD的研制方案。虽然采用的电子管和模拟式信息处理技术在当时只能显示出两个字符，但是信息显示方案的可行性得到论证。1968年，英国埃利奥特公司研制的数字式HUD装备美国飞机。

早期HUD只能实现显示功能，直到20世纪70年代，HUD才具备字符发生器和瞄准计算双重功能。那时HUD的字符发生器被改进为HUD显示数字计算机。这样，从大气数据计算机、惯性导航系统等原始飞行信息输入HUD，HUD就等同于小型武器瞄准系统，改变了原先从火控雷达输入信号的输入状态。

目前HUD已被广泛应用于飞机驾驶舱。HUD为飞行员提供飞行参数、飞行姿态、威胁告警等信息，提高了飞行员的安全驾驶能力。HUD的应用正朝着头盔显示器（Helmet Mounted Display，HMD）发展，即直接在飞行员头盔前方的玻璃镜上投射显示所需的飞行参数、飞行姿态、威胁告警等信息。头盔显示器可结合全息波导显示技术，采用集成化的全息波导元件以减少元件数量。2013年底，国外某公司研制出一款视场角为25°×20°的彩色全息波导头盔显示器，使显示色彩更丰富[1]。2019年5月，王龙辉等人[2]报道了一种单色全息平板波导显示系统的研究。该系统显示视场角为18°×14°，出瞳距离为30mm，有望应用于新一代HMD显示系统。

1.2 车载HUD

20世纪80年代，为了让购车者更加安心信赖，当时汽车领域研究人员开始关注HUD技术。随着1988年首次在汽车上的应用，HUD技术愈加广泛地出现在高级汽车上，例如BMW、奔驰等。通过将半透明影像投射在驾驶员前方视野2m处，显示速度、转速、油量等信息，使驾驶员无须在路面到投影间转换视觉焦点[3]。

21世纪，从福特汽车公司分离出来的美国伟世通公司研发并制造了丰富多样的车载HUD产品。2017年，该公司在上海车展展出的全新高级组合式车载HUD可提供更大的可视角度，比传统的组合式HUD扩大了50%，能在驾驶员的视线内显示更多的信息。这款车载HUD产品提供了10.6°×2.65°的视角和3.1英寸彩色薄膜晶体管（TFT）显示屏。车载HUD除了提供车速、自动定速巡航控制、导航和燃油警告等基本信息之外，还能显示来电者或音乐菜单等更多信息。

1.3 通航HUD

最早在民航飞机上使用HUD的是阿拉斯加航空公司，这家公司在1987年就将这种技术应用于载客的飞机上。阿拉斯加航空公司之后就开始了这种技术的应用，使困扰飞行员的飞机操作问题和安全问题逐渐得到解决，提高了飞行保障能力。

2  通航领域HUD相关技术应用

随着综合国力的增强，我国通用航空领域快速发展，不仅通航飞行活动需求旺盛，而且飞行总量飞速增长[4]。特别是中国民航得到空前的发展和壮大。新时代下，民航引入HUD技术，不仅可以提高飞机安全性以及全天候飞行能力，还有助于提高航班准点率。因此，HUD技术被视为中国民航中长期发展布局中的重要部分。HUD技术与其他航行新技术结合的研究，进一步促进飞行员状态感知能力的提高，从而提高了航空器在更低标准下运行的水平。下文对航行新技术进行列举。

2.1 通航领域平视引导系统的应用

平视引导系统（Head-up Guidance System，HGS）的注册商标首先由美国罗克韦尔柯林斯（ROCKWELL COLLINS）公司完成，他们率先研发了这项技术。在最初设计这项技术的时候，这家公司的考虑是将飞机的一些关键显示信息，通过一些技术投影到外部方便查看的地方，这种查看方式由于不需要飞行员再去操作仪器仪表来查看飞行信息，这给飞行员腾出了极大的操作精力，为整个飞行阶段的飞行提供了可靠方便的引导。这项技术的优势主要有以下几点：首先这种技术的影像显示符号不再受聚焦距离的限制，原则上可以聚焦到无穷远的位置，而且这种显示的符号与外界的世界完全叠加，不需要再进行飞行员对于信息读取的视觉转换，让飞行员在飞行信息的读取上减少眼部疲劳和精力损耗。不仅如此，HUD的应用带给飞行员的信息更全面，还可以提供飞行着陆引导，在低能见度条件下保障飞机起飞及拉平指引。

2.2 通航领域视景增强系统的应用

借助电子方式，将经传感器（如毫米波雷达、红外前视仪等）产生或增强的外部环境图像，提供给驾驶员。该系统被称为视景增强系统（Enhanced Vision System，EVS）。EVS的应用提高了机组人员的情景意识，为夜航和低能见度条件下的飞行提供飞行指引。一般，整个飞行过程中均可以使用EVS。但是，EVS在最低决断高度以下至距接地区标高100英尺的高度范围内，更能展现其重要的作用，低于此条件采用目视飞行为主，视景飞行仅作参考的操作方式。

2.3 通航领域增强飞行视景系统的应用

增强飞行视景系统（Enhanced Flight Vision System，EFVS）是EVS和HUD的综合，其过程是将EVS通过前视红外仪所获取的红外图像与HUD上显示的主飞行信息合二为一，在保证所显示的符号、图像与外界场景重合的情况下，同时显示在HUD上。EFVS功能的價值在于让飞行员“看得更清”，同时“飞得更准”，增强飞行员态势感知能力。特别是在低能见度气象条件下，EFVS将飞机前方场景清晰地呈现给飞行员，以获得一个相当于标准仪表进近程序所规定的能见度。飞行员依靠这一增强的飞行能见度识别跑道目视参考，按照FAR91.175（l）条规定，驾驶飞机至最低决断高度以下、接地区标高100英尺以上。

2.4 通航领域合成视景系统的应用

合成视景系统（Synthetic Vision System，SVS）是一种借助电子方式，以显示源于飞机姿态、高度、位置和通航地形数据库的适用外部地形的计算机生成的虚拟视景[5]。这种虚拟视景并非外界“实时”图像，而是通过电子方式由计算机生成。

3  结语

HUD技术在通航领域的使用，显著提高了飞行员的情景意识和驾驶品质，促进运行安全。它帮助提高飞机全天候运行能力，提高航班准点率，减少航班延误。虽然HUD技术引入民用航空领域较晚，但HUD技术作为一种新航行技术，对中国民航中长期发展布局有非常重要的意义。根据中国民航2012年8月发布的《平视显示器应用发展路线图》，要求到2025年中国航空运营人所有审定合格的航空器安装并运行HUD和EVS，把使用HUD运行视为航空运营人所必备的运行能力。这也意味着在中国运营的飞机上全面安装HUD的计划指日可待。

参考文献

[1] 王先超，谢意.机载全息波导瞄准显示技术发展综述[J].电光与控制，2015，210（12）：71-75.

[2] 王龙辉，汪岗，黄丽琼，等.一种单色全息平板波导显示系统的研究[J].应用光学，2019，40（2）：241-245.

[3] 张伟.2019款奔驰GLE（167）新技术剖析（五）[J].汽车维修技师，2019（9）：20-21.

[4] 叶际文，吴俊.基于ADS-B技术的通用航空低空航管系统搭建项目管理应用研究[J].科技资讯，2020，18（4）：85-86.

[5] 程岳，李亚晖，韩伟，等.机载飞行视景系统技术研究[J].航空计算技术，2020，50（1）：130-134.

[6] 赵恒坤，麻海燕.平视显示器在支线飞机上的应用[J].航空电子技术，2018（1）：75-78.