让飞行“视”界大不同

王邯 陈加江 姬冬雪

HUD是平视显示器（Head-up Display）的英文缩写。在航空领域，HUD是指安装在飞行员视线前方的一块透明显示屏及控制组件、传感器、计算机和电源等组件，通过投影技术将飞机的主要飞行信息投射在无穷远处，与外部世界的视像实现叠加，使驾驶员可以保持平视姿态完成以往需要低头查看仪表显示才能完成的各种飞行动作。

平视显示技术源于军用战斗机，20世纪80年代初开始应用于民航，后来也陆续引入到汽车行业。我们经常见到一些高档汽车装有HUD，可以显示简单的车辆信息，如速度、油量等，也可以融合导航信息来引导汽车行驶。

HGS是平视指引系统（Head-up Guidance System）的英文缩写，是罗克韦尔·柯林斯公司专为波音飞机在低能见度运行条件下设计的一个高度集成的宽视野平显系统。与普通车用HUD最大的区别是，HGS能够为飞行员提供经过精密计算的飞行指引，如滑跑指引、拉平指引等。

由于HUD的功能特点，使其在民航飞机的使用过程中具有很大的优势，如无须低头察看仪表即可感知外界环境信息和飞机的姿态、导航信息，增强飞行情景意识；缩小飞行技术误差；有助于实施稳定进近；减少重着陆和擦机尾事件的发生；为空中交通防撞系统、风切变及非正常姿态等状况提供识别和改出指引；改善全天候运行和航班正常性；提高对速度和加速度的感知能力，加强对速度和加速度的管理；提供着陆减速信息，减少制动组件磨损；精确预测接地点，提供擦机尾警告、非正常姿态改出信息，提高飞行品质，提升安全性的同时节省燃油。举例来说，在提高接地性能方面，使用HGS系统的接地点区间比不使用HGS系统的接地点区间更加集中、稳定，极大提高了飞行的安全性。

HUD的前世今生

HUD的前身是使用在战斗机上的光学瞄准器。这种瞄准器利用光学反射原理，将环状的瞄准圈光网投射在座舱前端的一片玻璃或者是座舱罩上面。投射的影像对于肉眼的焦距是定在无限远的距离上面，当飞行员瞄准目标的时候不会妨碍到眼睛的运作，维持清晰的显示。这种瞄准器最早出现在第一次世界大战期间，到了第二次世界大战的时候开始被广泛应用。

HUD诞生的最关键标识是使用电脑处理航电信息，将转换后的资料传递给HUD的显示单元，再将影像投射到前方的玻璃上。20世纪60年代，HUD开始在美国的军用战斗机上安装使用。第一架使用HUD的飞机是美国海军的A-5舰载机。

HUD在民用航空上的应用是在1975年法国达索飞机公司使用在水星Mercure飞机上。20世纪70年代晚期麦道MD-80系列飞机上开始采用HUD，之后开始普遍化，除了美国本身以外，其他国家也陆续购买或者是研发相关的系统。1987年罗克韦尔·柯林斯公司成功开发民用HGS，成为波音系列飞机可靠的HUD供应商。

HUD技术经过在国际民航业近40年的发展，如今已经十分成熟可靠，得到了国际民航组织的认可，并取得了广泛的应用。据统计，目前国际上已有25个国家的40多家航空公司采用这项技术，超过4000多架飞机安装了该设备。波音787飞机标配了双套平显系统，在空客A350和A380飞机上，航空公司也可选装HUD指引系统。美国联邦航空局鼓励航空公司使用这项新技术提高安全运行水平，并已经完成764个机场的仪表着陆系统的改造和降低运行最低标准。

目前，这一技术在我国尚未得到全面推广，因为大多数飞机都没有安装这一设备。针对这一现状，我国民航局已经公布了相应的政策与运行标准，鼓励航空公司在未来几年内为其机队安装并使用这一技术，目的是推动该技术在我国民航的应用，提升飞行安全水平。根据民航局公布的《中国平显技术应用路线图》，到2015年，10%的航空公司现役机队需装载平视显示器；到2025年，所有航空公司的飞机都要配备平视显示器。

山东航空公司作为国内首家在飞机上安装HGS的公司，在2005年引入该系统，随后经过了4个运行阶段，在手册体系建立与HGS资格训练、基于HGS的II类补充运行合格审定、利用HGS实施II类运行、在I类跑道使用HGS实施特殊批准的I类运行或II类运行直至Ⅲ类运行方面积累了丰富的实践经验，不但增强了安全水平而且极大地提高了公司的运行能力，真正实现了HGS为公司创收效益最大化。

截至2014年3月，山航运营飞机共计75架，其中已在57架波音737NG飞机上安装了罗克韦尔·柯林斯HGS 4000型HUD设备；根据我国民航飞行标准及成本考虑，山航在不降低功能的前提下，在波音737NG飞机上选择了左座单套HGS的构型。在飞行时，左座主飞跟踪指引信号，右座监视常规仪表和HGS系统信号牌。山航培训部也已为2台波音738全动模拟机加装了左座单套的HGS 4000型设备。

HUD未来发展趋势

新一代的HGS还增加了增强视景系统EVS（Enhanced Vision System）。这是另一项国际先进的飞行新技术，已经被国际民航组织作为未来推广的新航行系统认可。它利用摄像机拍摄由前视红外线或毫米波雷达探测到的图像信息，将外部环境的实时图像通过传感器投射到驾驶舱的HUD上，与原有的HUD信息相叠加，向飞行员提供机场跑道、周围地形和障碍物特征的实时图像，使整个飞行视野更为清晰可见，为飞行员实施精确飞行提供有力保障。

另一方面，柯林斯公司正着力推广的合成视景系统（SVS）在HGS系统中的应用。SVS基于独立的地形、跑道和障碍物数据库，以飞行员的视角提供由计算机产生的外部环境视图。其图像是由电脑绘制的实时图像，能够真实反映外部环境。目前，SVS着陆应用法规已经在美国生效。

将增强视景系统（EVS）植入合成视景系统（SVS），则形成了组合视景系统（CVS）。对于这一系统，EVS和SVS的数据源可以由飞行员根据实时效果自由选择。

根据民航局公布的《平视显示器应用发展路线图》，到2020年，我国将有50%的飞机具备EFVS应用条件；2021年，全国所有适用机场将公布EFVS运行最低标准；2025年，所有飞机都将具备EFVS应用条件。

HGS的技术原理（以波音737机型为例）

HGS系统主要包括5个航线可更换组件LRU和相应的电缆、接插件、固定机构，在飞机上，其计算机安装在电气电子舱中，其它4个组件安装在驾驶舱内，它们分别是：

HGS计算机（HC），负责从航电系统总线和飞机传感器接收飞行数据并且把此数据转换成符号；

控制面板（HCP），它安装在座舱仪表板区域，用来选择HGS的工作模式，设置下滑角度、跑道长度、标高等参数，进行系统自身维护和诊断等；

头顶投影组件（OHU）：它一般安装在飞行员的头顶上方，包括阴极射线管CRT和把符号图像投影到组合以上的光学投影组件；

组合仪（Combiner）：它安装在左前风挡玻璃的上底梁结构上，使飞行员在看风挡玻璃外的景象时也可以看到OHU投影来的飞行符号；

信号牌面板（HAP）：它安装在副驾驶的仪表面板上，在三类进近、着陆、以及滑跑操纵中为副驾驶提供HGS的状态和警告显示。

HGS系统的成像主要是光学滤波反射原理。HGS计算机把飞行符号信号转化生产成图像信号，经过信号放大电路等来驱动OHU头顶组件进行投影。头顶组件的阴极射线管CRT或液晶设备LCD对组合仪的玻璃板进行投影成像。组合仪的玻璃镜片实际上是个波长选择镜，它可以反射OHU投射来的特定波长的颜色光到飞行员的视点，也同时可以让玻璃镜片前方外界其他颜色的光通过玻璃镜片进入到飞行员视点。这样飞行员看到的景象就是两组光线叠加的景象。最新的投影装置采用LED光源的硅基液晶LOCS投影仪，核心为单个的单色LCOS微型显示器，LED照明器采用高亮度绿色LED和一个非成像光学系统，对LCOS提供空间均匀的照明。照明器集光率与投影器集光率相匹配，使耦合损失最小，无须彩色分离滤光器，进一步提高了对比度和效率。

HGS主要具有5种工作模式：主显示模式PRI，该模式应用于低能见度的起飞，典型的起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆；三类进近模式AⅢ，该模式应用于精密进近和着陆，是专为三类最低标准人工ILS进近和着陆运行设计的；滑跑模式RO，该模式可以提供滑跑指引；仪表气象条件IMC进近，该模式用于自动驾驶仪或飞行指引仪进近；目视气象条件VMC进近，用于目视进近。

HGS系统主要是为飞行员提供符号式的飞行指引和状态指示。它在工作中的指示符号按组来分类，主要有飞机基准符号、轨迹符号、迎角符号、航向和航迹符号、速度符号、高度符号、侧滑符号、导航符号、工作模式和告警符号、三类进近符号、飞行指引和自动驾驶符号、TCAS符号。在不同的工作模式，显示的符号内容也是不一样的。

HGS在模拟机中的使用

目前模拟机对HGS系统的集成，主要还是基于几个核心航材件来实现。由于模拟机是计算机软件模拟、I/O接口电路驱动的仿真飞行系统，HGS系统所需的各种航电数据，都经由模拟机主计算节点经ARINC-429总线和离散数字量线路汇集至HGS计算机，计算处理后的图形数据由计算机输送至头顶投影装置及教员监视器。同时，HGS计算机持续通过429总线与模拟机主节点、投影装置、控制面板（或MCDU）及HGS信号牌等前端设备保持交互。HGS计算机由模拟机供电线路取的28V直流电，除自身使用外，内部转换为±32V、±15V直流电，供给投影装置和合成仪使用。

在模拟机训练中，为了使教员能够实时查看飞行员对HUD的使用情况，在教员区域，会安装专用的HUD监视器。送往HGS投影装置的视频信号，通过特殊的视频转换装置，将计算机的XYZ三分量视频信号转化为通用DVI信号，同时传送至教员监视器，以实现HUD投影图像的实时重放。

早期的教员监视器通常使用示波器或专业CRT显示器，随着技术的进步，目前已经可以使用普通的商用液晶显示器进行替代。

HGS系统在模拟机使用中的稳定性较好，集成完成后不存在复杂的维护需求，但如果出现以下问题时需加以关注：

在合成仪的视界范围内，通过调整飞行员座椅高度，应可以实现HGS影像的天地线、跑道中线与视景天地线、跑道中线的重合。此问题在安装验收阶段尤其需要注意。

控制面板上的跑道长度单位一般为英尺，建议设置标识提醒机组注意。

部件自身故障。在HGS计算机、控制面板、信号牌上一般都配置有故障提示灯。多数情况下，故障提示灯亮起时预示相应部件故障。但对于不具备交换部件排查的客观条件、或涉及投影组件等不便拆卸的设备时，还应注意检查计算机与投影装置之间链路上的信号转换设备及图像调节附件（如SNU），是否存在XYZ分量补偿的漂移。

信号干扰。由于模拟机内部走线空间狭小，很容易对视频信号的传输造成电气干扰，一般表现为监视器图像噪声或失真，此时应注意查找视频线接头及走线是否靠近干扰源。

软件问题。由于HGS对于模拟机是相对独立的系统，对于航电数据交互而言基本算是“终端用户”，所以在排除故障时能从模拟机的诊断系统里得到的信息很少。在处理涉及HGS实际功能的软件故障时，可结合维护手册、借助系统自身的测试功能——如使用控制面板上的TEST功能进行系统自检，还应注意反馈给航电系统的变量是否在模拟机软件系统内有正确的体现。