浅析国外机载场面导引系统的发展高成志

摘 要：机载场面导引系统作为当前先进大型客机航空电子系统的重要组成部分，主要用于低能见度的场面运行，具有增强态势感知、提高滑行性能、增加滑行安全性和减轻飞行员工作负担的特点。文章在分析研究相关资料的基础上，指出了当前机载场面导引系统的发展趋势，为国内机载场面导引系统的发展方向提供参考。

关键词：机载场面导引系统；态势感知；滑行性能；滑行安全性。

1 基于EMM的AGS

1.1 EFB

EFB是一种驾驶员飞行辅助工具，美国联邦航空局的咨询通告AC120-76A对EFB的定义是：在驾驶舱/机场使用的电子显示系统。最简单便携式EFB既可以和个人数字助手（PDA）兼容，用于显示各种航行数据，进行各个飞行阶段准备时计算和检查，也可以执行一些基本的计算（飞机性能数据、油量计算等）[1]。

Jeppesen开发的EFB可提供空中和地面的综合信息管理，大大提高飞机的运行效率。EFB有三种不同的构型：1类、2类和3类。2008年，Jeppesen获得了FAA对2类EFB设备机场移动地图（AMM）的批准。EFB在场面导引时可快速更新如通知飞行员（NOTAM）和路由信息等。飞机的位置估计描绘在下视的EFB面板的AMM上，用一蓝色的三角表示。EFB还描绘了每条滑行道的名字，如此飞行员可以更好的感知飞机在机场场面的航道并进行预估。AMM有缩放功能，其精度大约为3～5米。

1.2 OANS

OANS在导航显示器上以高精度的机场移动地图为背景动态显示飞机位置，使用机场地图数据库（AMDB）简化了滑行操作，尤其在大型机场。AMDB是根据RTCA DO-272H和EUROCAE的ED-99标准开发的。在飞行操作期间，OANS运行飞行员查阅机场地图，并准备好在选定机场的导航。从登机门滑出和滑到登机门所需的信息都显示在下视面板上。OANS还提供刹车退出（BTV）和冲出跑道保护（ROP）功能。OANS通过给飞行员提供恰当的警戒信息，使飞行员可以成功避免潜在的跑道入侵和导航错误，如选错机场场面的滑行道[1]。

2 基于HUD的AGS

SGS使用机场数据库标识跑道或滑行道的中线和边线，显示虚拟的跑道中线、边线、标记和其它叠加在真实滑行道、跑道和标识系统的符号[2]。这大大增强飞行员的态势感知能力，提高操作效率和滑行性能，减轻工作负担，避免潜在的跑道入侵。SGS可基于飞机已装备的HGS，进行软件升级即可实现。

2.1 符号集

SGS的画面符号集包括：等角显示区和非等角显示区的符号。等角显示区的符号包括：平显显示模式、飞机基准符、当前航向、滑行路径线段标识、滑行路径边界符、滑行导引提示符、滑行路径中线符、趋势矢量和地速。非等角显示区为一滑行态势图，符号包括：剩余滑行距离、滑行导引提示符、趋势矢量、飞机符号、滑行路径线段标识、滑行路径虚中线、滑行路径边界直线和转弯倒数告警。

当滑行导引提示符和趋势矢量显示在平显的等角显示区域时，末端表示的预计位置距离t1时刻飞机控制点的位置为200英尺，滑行路径边界符之间的距离为50英尺，滑行路径中线符之间的距离为50英尺。当滑行导引提示符和趋势矢量显示在平显的非等角显示区域时，末端表示的预计位置距离t1时刻飞机控制点的位置为120英尺。

2.2 运行原理

飞机控制点位于左主起落架和右主起落架的中点。在t1时刻，滑行导引提示符和趋势矢量显示在平显中。滑行导引提示符表示在t2时刻的期望位置。趋势矢量表示基于t1时刻的飞机状态从t1时刻到t2时刻的飞机控制点的预计路径。趋势矢量包括标识t2时刻飞机控制点的预计位置末端。这个末端被保持在滑行导引提示符的范围内，以便飞机控制点可以在t2时刻到达期望位置。

在t2时刻，飞机控制点是由滑行导引指令确定的。导引指令是由运行在平显计算机（HC）中的滑行导引算法根据飞机的当前位置、当前状态（如：地速、航向和转弯速度等）和输入的已定义的滑行路径计算出的。定义的滑行路径（A*算法）是由表示在机场设施中的滑行路径的线段或曲线连成的一系列位置点。滑行路径可以存储在HC的内存或数据库中，也可以由HC从其它的机载数据库系统获取，或由位于机场设施中的数据系统发送到飞机。

3 基于“智能眼镜”的AGS

近年来，由于航空电子技术和微处理器器件的飞速发展，用于航空领域的可穿戴显示器（HWD）的研发逐步提上了日程。2002年，MicroVision公司推出了Nomad个人飞行显示系统，这种采用头箍式的近眼显示器较为笨重，售价12000美元，并未真正发售。此外，Rockwell Collins、Honeywell和Garmin公司对HWD技术都比较看好，特别是在通用航空领域，前提是至少能呈现与传统平显相同的飞行数据以及对外界环境的指引信息，并能解决头部位置跟踪技术，如此HWD方能取代传统的HUD。

NASA的兰利研究中心研发了一款新的头戴显示器系统，主要用于跑道导航，因为大部分的飞机碰撞出现在跑道滑行期间。当飞行员戴上这款眼镜（800×600像素，全色，60Hz刷新速率，亮度可调）时，飞行员的右眼可以看到叠加在镜片上的虚拟的3D跑道和机场图像，该图像是实时更新的，并包含强调附近物体、跑道路线和该区域交通的标记。该眼镜含有一个内嵌式的头部跟踪器，它可跟踪飞行员环视挡风玻璃时的头部运动，并将图像调整到飞行员的视点。附加的语音控制和显示的飞机自身参数信息，包含速度、姿态和航向，允许飞行员目视前方的跑道而无需低头看下显[3]。

NASA在兰利研究中心的B757固定基面模拟器中，以美国芝加哥的奥黑尔国际机场为背景进行了2个场面运行地面仿真试验，评估HWD是否能够提供HUD一样的性能和安全性。在试验中对HWD的关键属性进行了评估：用HWD提供滑行导航和态势感知，使用HWD的全能视域进行离轴增强。结果表明，HUD和HWD实际上是等效的，HWD还需对在“极度条件”下的场面交通感知方面进行微小的改进，由于其不受限的视域。endprint

4 综合的AGS

4.1 综合的AGS构型

综合的AGS构型主要有两种：一种是基于EMM和HUD的AGS，由处于下视位置的EMM和飞行员头部上方的HUD构成，其中HUD应具有SGS导引功能，SGS的符号集当前有三类，包括：基于指令导引的符号集，基于场景联系的符号集和基于指令导引与场景联系相结合的符号集[4]，这三种符号集在增强态势感知、提升滑行性能、提高滑行效率、减轻工作负担方面的首推基于指令导引与场景联系相结合的符号集，其次是基于场景联系的符号集，最后是基于指令导引的符号集；另一种是基于EMM和IG的AGS，由处于下视位置的EMM和飞行员戴的IG构成，其中IG应具至少具有机场跑道3D虚拟场景显示、头部跟踪、语音控制和亮度调节等功能。

4.2 综合的AGS性能比较

由文献[5]可知，基于EMM和HUD的综合AGS与基于EMM和IG的综合AGS的在滑行性能、导航误差、滑行入侵、所需导航性能和偶发事件五个方面进行了性能比较，具体情况下如：（1）在滑行性能方面，两者的路径误差和滑行速度是相当的。但两者在白天RVR为700英尺的条件下与夜间目视气象条件下相比，路径误差要少5.2英尺，滑行速度快0.4节；（2）在导航误差方面，两者只会产生较小的导航误差。较小的导航误差指飞行员能立即发现并能校正现有航路上的误差，较大的导航误差指导致转弯错误或转弯失误等态势感知的丧失；（3）在滑行入侵方面，后者优于前者。滑行入侵是指与其他飞机发生碰撞或在其他飞机前面艰难地转弯；（4）在所需导航性能方面，后者略优于前者。但两者均不满足ICAO对D类飞机在该能见度条件下95%的时间内偏离路径中线的距离小于±7.2英尺的要求；（5）在偶发事件方面，两者均能有效避免偶发事件。偶发事件指两架飞机滑行时出现“nose-to-nose”的情形。

5 结束语

随着机载显示系统的技术发展，基于电子飞行包或下视显示器等下视技术的AGS已有成熟应用，基于HUD的AGS也已开始应用，基于HWD的AGS也正在进行概念演示验证。根据中国民航局发布的“关于引发平视显示器应用发展路线图的通知”[6]，到2025年国内所有在册的民航客机都要装配HUD，因此发展基于HUD的AGS将是近10年内的一个主流；随着IG技术的快速发展以及在民航领域的探索应用，未来基于IG技术的AGS发展空间巨大，甚至有取代HUD的可能，但IG取代HUD首先要解决头部跟踪、延迟、视场、画面拥挤和模糊、视觉调节和修正等问题，其次是微型光学部件设计和加工技术。

参考文献

[1]Audrey GUILLOTON， Jean-Pierre ARETHENS， Christophe MACABIAU， Anne-Christine ESCHER， Damien KOENIG. STATE OF THE ART IN AIRPORT NAVIGATION[Z]. 2011 IEEE/AIAA 30th Digital Avionics Systems Conference （DASC）， Seattle ： United States （2011）.

[2]Armstrong et al， Aircraft Surface Operations Guidance on Head-up Display[Z].US 7，382，284 B1， United States Patents， Jun.3， 2008.

[3]Randall E. Bailey， Kevin J. Shelton and J.J. （Trey） Arthur III. Head-Worn Displays for NextGen[Z].

[4]Wilson， J.R.， Hooey， B.L.， Foyle， D.C. & Williams， J.L.， Comparing Pilot's Taxi Performance， Situation Awareness and Workload Using Command-guidance， Situation-guidance and Hybrid Head-up Display Symbologies[Z].Proceedings of the 46th Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomic Society， 2002.

[5]Jarvis （Trey） J Arthur III， Lawrence J Prinzel III， Kevin J Shelton， Lynda J Kramer， Steven P Williams， Randall E Bailey and Robert M Norman. Synthetic Vision Enhanced Surface Operations with Head-Worn Display for Commercial Aircraft[Z].

[6]民航发[2012]87号. 关于引发平视显示器应用发展路线图的通知[Z].

作者简介：高成志，男，工程师，大连理工大学，研究方向：航电系统。

王丽君，女，工程师，西北工业大学，研究方向：系统安全性分析。endprint