基于HUD导引功能的审定要求分析

2021-06-24王睿璇肖国松

中国民航大学学报 2021年2期

张帆，王睿璇，肖国松，王鹏

（中国民航大学a.民航航空器适航审定技术重点实验室；b.适航学院，天津 300300）

机载平视显示器（HUD，head-up display）能够将飞行数据投射到驾驶员正前方透明显示组件上，并通过导引功能实现飞行航迹指引，使飞行员能够随时依据指示修正飞机飞行状态、实现精细化飞行，从而在低能见度下完成滑跑、起飞、进近等飞行任务，对改善飞行品质、提升航空安全水平、增进社会效益具有重要意义[1]。

随着中国民航运输总量和机队规模的大幅增长，飞行安全和航班正常面临较大挑战。为提高低能见度条件下航班正常运行能力，降低气象条件对飞机安全运行的影响，自2012年起，中国民用航空局（CAAC，Civil Aviation Administration of China，简称局方）大力倡导在飞机和模拟机上装配HUD，并基于相关运行规章和标准对所研制的HUD 功能与性能进行验证与批准。

HUD 作为CAAC 近期重点推进的四大航行技术之一，根据《平视显示器应用发展线路图》[2]，在2020年以前，其装机率应达到50%，所有具备条件的机场将在进近图中公布特殊Ⅰ类、特殊Ⅱ类和起飞最低标准。中国航空运输量持续快速增长，机场运行保障压力增加，而具备低能见度运行条件机场数量不多。截至2019年底，中国具备HUD 特殊Ⅰ类标准机场97个，特殊Ⅱ类标准机场21 个，具备HUD RVR150 m起飞标准的机场11 个；全行业共有运输航空公司62家，仅19 家具备HUD 运行能力；全民航在册航空器数量3 818 架，仅1 183 架运输飞机具备HUD 能力[3]。

根据上述统计，中国机队规模较大的B737NG 和A320 系列飞机的HUD 装机率尚且不足，距离CAAC提出的“截至2025年实现HUD 的100%装机率”的目标差距巨大。运输飞机方面，真正具备HUD 能力的飞机仅占31%，仍有69%的飞机尚未取得HUD 运行资格。机场方面，中国具备低能见度运行条件的机场数量不足，机场设施升级存在改造资金投入量大、技术难度高等问题[4]，通过HUD 技术则可实现机场降标准运行，经CAAC特殊批准，可在不满足标准Ⅱ类机场实施特殊Ⅱ类运行，从而降低机场升级负担，提高运行保障能力。

HUD 作为新兴技术，在解决低能见度起降问题的同时，也为运行引入了新的安全风险，其导引功能作为飞机导引系统的重要组成部分，关系着整机全天候飞行安全，也是局方审定中重点关注的问题。中国在相对宏观的层面针对HUD 运行审定颁布了相应标准，但未有明确针对其导引功能的验证与批准所提出的解决方案及相应的运行审定类指导文件，目前有关HUD 导引功能的研究也尚存空白。因此，以国内外航空局、工业方审定资料为基础，从审定文件体系、审定要素和要求等方面进行研究，以期为国产HUD 运行审批提供理论支持。

1 基于HUD 导引功能的标准体系

1.1 研发标准体系

实现运行的前提是具备相应的功能，且满足适航要求。《使用平视显示器（HUD）运行的评估与批准程序》（AC-91-FS-2017-03R2）[5]明确规定：实施标准Ⅱ类或特殊Ⅱ类运行，HUD 必须具备导引能力，否则应结合Ⅲ型自动驾驶导引能力；实施低能见度起飞，HUD必须具备导引能力。HUD 作为复杂航电设备，其集成、资源共享、软/硬件逻辑复杂程度，均使得研发面临着挑战。

为推进HUD 的研发，国际自动机工程师学会发布了SAE ARP 5288“运输类飞机HUD 系统”及SAE AS 8055“机载HUD 系统最低性能标准”，对HUD 导引功能及性能提出了建议。为证明功能的适航符合性，在导引功能研发阶段，FAA（Federal Aviation Administration）发布的AC 25-11B“电子飞行显示器”提出了HUD 导引功能性要求；AC 25.1329-1C“飞行导引系统的批准”明确了HUD 导引功能设计及低能见度运行要求；HUD 作为高安全性等级设备，应满足AC 25.1309-1A“系统设计与分析”的安全性需求。此外，整个功能的研发过程要满足SAE ARP 4754A“民用飞机与系统研制指南”及SAE ARP 4761“民机机载系统及设备安全性评估过程指南与方法”要求。研发标准体系间关系如图1所示。

图1 HUD 导引功能研发标准体系Fig.1 Development standard system of HUD guidance function

1.2 运行标准体系

HUD 系统完成研发并申请取得适航批准后，投入市场运行，需满足运行标准要求，并申请运行批准。作为新的航行技术，HUD 的一个重要用途就是支持全天候运行。CAAC AC 91-FS-2012-16“航空器运营人全天候运行要求”明确规定了申请实施全天候运行的运营人应进行运行演示，以测定或验证航空器的飞行引导系统。FAA AC 120-29A“Ⅰ、Ⅱ类气象条件下进近的最低运行批准标准”规定了导引系统性能、进近程序及批准要求。FAA AC 120-28D“Ⅲ类气象条件下起飞、着陆及滑跑的最低运行批准标准”规定了使用HUD的Ⅲ类导引系统性能、运行程序及批准条件。

此外，使用HUD 可能具备降标准运行条件，因此考虑到机场设施、机载系统的导引能力，CAAC 发布了AC 91-FS-2017-03R2“使用HUD 运行的评估与批准程序”，明确提出使用HUD 可实施除了标准Ⅰ、Ⅱ类运行外，在满足功能及运行要求基础上，可实施特殊Ⅰ、Ⅱ类运行及低能见度起飞（LVTO,low visibility takeoff）。该文件为使用HUD 的运行批准及机场制定和公布HUD 运行最低标准提供指南，同时为CAAC 进行HUD 运行标准的审定与批准提供依据和指导。运行标准体系间关系如图2所示。

图2 HUD 运行标准体系Fig.2 Operation standard system of HUD

2 HUD 导引功能审定要求分析

2.1 审定要素分析

HUD 设备实现装机取证时，在实际针对HUD导引功能的审定过程中，审定要素涉及设备自身的适航、运行程序和性能等要求。以检查单的形式对各部分的审定关注点进行归纳，如表1所示（1ft=0.304 8 m）。

表1 HUD 导引功能运行审定要素分析Tab.1 Analysis of operation certification elements of HUD guidance function

2.2 进近评估要素分析

2.2.1 进近航迹评估

根据AC-91-FS-2017-03R2，使用HUD 实施标准Ⅰ类及特殊Ⅰ类运行，对其导引能力不做要求，且使用阶段仅为进近至决断高度DH（decision height）；使用HUD 实施标准Ⅱ类和特殊Ⅱ类运行，则要求其自带导引至接地功能。

对进近航迹的评估应考虑垂直航迹基准进近和无垂直航迹基准进近两种类型。前者应按地基准则采用剖面偏离评估，后者应采用高度损失评估。两种评估方法的图解形式如图3 和图4所示。剖面偏离法首先确定最坏情况下故障的偏离剖面，将剖面沿下滑道下滑，直至与1∶29 斜线或跑道相切。根据由偏离剖面决定的飞机机轮相对于1∶29 斜线相交点的几何关系，可确定失效情况对进近的影响。高度损失法应按3°的下降路径和正常进近速度下降，以垂直高度损失评估飞行航迹偏差，差值为飞机机轮高度与正常机轮飞行航迹之差[9]。

图3 剖面偏离法Fig.3 Profile deviation method

图4 高度损失法Fig.4 Height loss method

2.2.2 着陆点分布评估

根据AC-91-FS-2017-03R2，若使用HUD 实施标准Ⅱ类和特殊Ⅱ类运行，则对HUD 有使用自备导引至接地能力的要求。

根据国际民航组织针对航空器着陆系统的性能标准[10]规定，航空器接地点在机场接地区以外的概率应当小于1×10-6。对航空器着陆点位置的评估，可采用模拟机数据分析，将飞行员反应时间和视野转换时间作为模型输入指标，着陆点位置坐标作为输出指标，并将相关飞行数据拟合于跑道，分别对使用和未使用HUD 导引功能进行着陆的航空器在接地区外接地的概率进行计算，与规定概率比较以判断HUD 导引功能是否符合安全标准[11]。

3 审定案例

3.1 系统描述

典型民机HUD 由HUD 计算机、投影装置、组合仪、HUD 显示控制面板等组成，如图5所示，与飞机的仪表着陆系统、飞行管理系统、飞行控制系统、机载防撞系统等系统交联，且自带导引功能。计算机接收传感器数据并计算出飞行操纵导引指令，通过HUD 的校正和优化处理后，显示给飞行员以引导其在起飞、进近、拉平和滑跑过程中实施精准飞行。

图5 典型民机HUD 系统组成Fig.5 HUD system composition of typical civil aircraft

导引功能用于飞机的低能见度运行，由导引提示符号实现。飞机下降至一定高度时，计算机根据下滑轨迹计算出趋势下划线，下降至门限值后HUD 将指引飞机按计算出的虚拟下滑道飞行。飞行员通过俯仰和横滚输入在飞行航迹圈里捕捉导引符号，使飞行航迹提示符与导引提示符重叠，以控制飞行航迹实现安全着陆[12]。

3.2 适航审定

以某型平视显示系统为例，对其导引能力的适航审定及审定中的运行评估要求进行说明。本例改装HUD 为重要机载设备改装，参照《航空器型号合格审定程序》（AP-21-AA-2011-03-R4）[13]申请补充型号合格证（STC,supplemental type certificate）。

在适航审定的过程中，应尽早考虑可能影响产品设计的运行要求。航空器评审小组（AEG，aircraft evaluation group）作为民航局飞行标准部门与适航审定部门在航空产品初始型号审定和后续运行管理过程中的桥梁，全程参与重要改装的评审。通过AEG 在型号审定过程中使用和运行角度的评估，可确保产品制造方将可运行的航空产品交付给用户。运行评估过程中的关注重点为HUD 运行程序、操纵性能及导引运行资质等要素。

3.2.1 审定基础和符合性方法的确定

对HUD 导引能力的适航审定，以CCAR 25.1301、CCAR 25.1309 和CCAR 25.1329[14]为审定基础。CCAR 25.1301 对系统的功能和安装提出通用要求；CCAR 25.1309 涉及飞机所有系统和设备，对飞机与系统的安全性提出要求；CCAR 25.1329 对飞行导引系统的自动驾驶、自动推力和飞行指引等功能提出要求。对各规章的审定要素及符合性方法进行分析，如表2所示。

3.2.2 工程验证试验及符合性检查

工程验证试验是本例产品进行型号合格审定的必经过程。对于HUD 的导引功能，涉及零部件鉴定试验、系统功能试验及电磁干扰试验，审查内容覆盖表1及表2 的所有内容。申请人在试验前向审查方提交相关试验大纲，包括工程图、铲平构型、设备清单、试验步骤等，获批后，审查方将发出制造符合性检查单。申请人进行验证试验前应提交制造符合性声明，审查方将按制造符合性检查单和制造符合性声明对试验前相关情况进行检查，确保其符合工程图和试验大纲，满足开展验证试验的要求。试验过程中，审查方以目击方式监督试验过程。

表2 HUD 导引功能审定要素及符合性方法Tab.2 Certification factors and compliance methods of HUD guidance function

另外，HUD 导引验证需要进行工程分析。通过审查导引算法及建模、模拟过程，理解导引原理及所采用方法的适用性和准确性；在此基础上，审查导引功能运行结果，如进近航迹、着陆点的分布结果，验证数据结论的有效性，从而检查符合性证据的合理性[13]。从安全性的角度，根据CCAR 25.1309 的要求，HUD 作为安全关键系统，其发生任何妨碍飞机继续安全飞行与着陆失效状态的概率应为极不可能，即平均每飞行小时不高于1×10-9。因此，作为系统单个组件模块的HUD导引功能模块不允许发生单点失效，其失效状态应得到识别，失效影响应被评估。由于分析过程的可变性和不确定性，仅采用定量分析证明某个失效状态极不可能是不充分的，还应包括对所有假设、数据源及分析方法工具的判断，必要时通过适当的地面、飞行或模拟试验来表明。无法执行详尽测试时，系统的符合性应通过研制保证来表明。

3.2.3 试飞验证

申请人进行研发试飞获得型号检查核准书（TIA）后，才能开始审定试飞。审查方在评估飞行试验风险管理过程，保证审定飞行试验风险的可接受性，并批准试飞大纲后，开展试飞审定工作。

HUD 系统试飞评估主要包括硬件评估，以及起飞、离场、仪表气象条件（IMC,instrument meteorological condition）正常机动、目视气象条件（VMC,visual meteorological condition）极限机动和手动ILS 进近着陆时的显示特性评估[15]。HUD导引功能的审定试飞主要是评估飞行程序、导引性能，包括进近航迹和着陆点分布，以及使用导引功能进行飞行操纵的可靠性和安全性，如潜在的失效状态、失效影响等，并在此过程中确定导引功能的使用限制和操纵程序[13]。

3.2.4 运行评估

本例中HUD 在取得STC 过程中需要与AEG 及时沟通，对导引功能的运行及维护进行评估。适航取证后，投入市场前应基于前期适航审定的结论，对产品进行运行评估，以证实HUD 导引功能对运行的有效性。AC-91-FS-2017-03R2 中规定，每类运行均需进行真机验证，申请人每增加1 个装备HUD 的新机型、对已有机型增加或改装HUD 型号，均需演示验证1 次。AC 25-7D 中规定，在额定ILS 波束上Ⅰ类运行应至少进行4 次进近，Ⅱ类运行至少进行20 次进近。在该过程中可对进近航迹和接地点进行评估，以保证导引性能与安全性符合标准要求。