HUD/HGS，抬头，看见未来

武晨

近几年我国民航运输量持续增长，给我国航空基础设施建设和航空运行管理工作提出了新的挑战。同时，由于飞行要“靠天吃饭”，雨、雪、风、雷等天气都直接影响着飞行安全和正点运行。尤其是近几年，越演越烈的雾霾正在越来越多的影响到正常的航空运行工作。

面对这些问题，中国民航局明确提出要加快航空运行新技术的运用。平视显示器HUD就是这样一种能够降低飞机运行标准、降低对机场等地面设施要求的新型利器。2009年一项由Flight Safety Foundation做出的相关调查显示，当飞行员使用HUD时，可以将飞行事故减少38%。这肯定了HUD在提高飞行员的情景意识和飞行品质、确保飞行持续安全、减少天气的影响等方面的重要作用。

尝试、认同与发展

HUD在国外的应用历经半个多世纪。最早的HUD起源于二战时期的陀螺仪瞄准器，在上世纪60年代已经大量使用在军机上，作为一种低能见度条件下的辅助着陆工具，并逐渐引起了民航飞行员的注意。

世界上第一台用在民用飞机上的HUD出现在法国。1972年3月，法国试飞员Gilbert Klopfstein在法国布雷蒂尼的飞行测试中心对一种基于军用产品简化而来的HUD系统CV-91进行了目视进近飞行测试。CV-91后来发展为第一代民用HUD产品TC-121。TC-121包括一个从仪表着陆系统ILS中衍生出来的合成跑道模型，以及一套着陆拉平指令。

1974年，当时法国的航空公司Air Inter为运行商业航线的达索水星飞机装配了Sextant公司（后被Thomson CSF公司收购，Thomson CSF公司即现泰雷兹公司的前身）生产的HUD系统。飞行试验证明，装有HUD的水星飞机在精密进近运行类型CAT IIIA（最低RVR为500英尺，DH为50英尺）条件下能够安全运行。

后来Sextant对HUD进行了改进，发展出TC-125，并在美国进行了演示。美国企业马上对此显示出了浓厚的兴趣。麦道公司首先进入了这一领域，为当时的太平洋西南航空公司的MD-80飞机装配了HUD。但当时的HUD只能被用作自动着陆系统发生故障时，必须使用目视进近和起飞时的显示器。

20世纪80年代中期，美国的Flight Dynamics公司推出了一款HUD，将其命名为“平视指引系统”HGS。HGS率先使用了军用HUD常用的全息光学显示屏作为合成显示器，在可靠性和使用体验上都有了进步。这就是HGS家族的第一款产品：HGS-1000。

顾客很快就上门了。1985年12月，阿拉斯加航空公司的运营中心之一，西雅图的塔科马国际机场因为受大雾天气影响，中断运行达十天之久。在这一事件的推动下，阿拉斯加航空公司很快决定为其整个波音727机队装配HGS系统。1989年，阿拉斯加航空公司在装有HGS的波音727飞机上实现了CAT IIIA条件下的手动降落，成为第一家从HGS运行中获利的航空公司。

此后不久，运行基地同在西雅图-塔科马机场的视野航空公司也为旗下的冲8-100装了HGS系统。很多年后，罗克韦尔·柯林斯的HGS商用工程系统主管Robert Wood回忆道：“当西雅图被浓雾笼罩，滑行道被封锁时，装了HGS的冲8可以做一个U字形的转弯然后起飞，而旁边那些全新的波音B777却只能干等着！”

在市场上获得了好口碑的HGS发展迅速。1999年，罗克韦尔·柯林斯全资收购了Flight Dynamic公司。此后的很长一段时间里，罗克韦尔·柯林斯都在民航运输领域的HUD市场上一家独大，并研发出了合成视景系统SVS等最新技术。

20世纪末至今，全球民航运输领域的发展，尤其是亚太地区业务的急速增长在为罗克韦尔·柯林斯的HGS业务带来丰厚回报的同时，也为其引入了“老对手”。

2001年，空客开始考虑为空客系列飞机加装HUD系统。从1970年代起，在为Air Inter装配了HUD之后，Sextant公司的HUD市场并没有大的进展，只有Air inter， Swissair和Austrian Airlines三家公司为旗下部分机型装备了HUD系统。据称，空客对HUD兴趣不大的主要原因在于空客自身已经发展出了一套比较成熟的自动降落系统，能够在CAT IIIB条件下安全运行。

经过两年的研究与评估，空客在2003年3月确定泰雷兹为其HUD的制定供应商。在经过与罗克韦尔·柯林斯的激烈竞争后，泰雷兹这个“老伙伴”重新回到了民航HUD的舞台之上。可见，这将使得未来HUD系统的竞争更加激烈。

更轻，更薄，更可靠

从硬件方面来看，让HUD变得更加轻薄是所有生产商共同努力的方向。罗克韦尔·柯林斯集团HGS工程商业系统高级主管David Austin曾经这样概括HGS的发展趋势：“HGS正在变得更轻、更薄、更加可靠，并且要支持增强视景系统EVS、合成视景系统SVS和支持飞机滑行的地面引导系统SGS。”

2012年初，罗克韦尔·柯林斯为庞巴迪的Global Vision驾驶舱（用于全球快车系列飞机）提供了全新一代的HGS产品：HGS-6000。与重60磅、有6套线性可更换组件（Line-Replaceable Units，LRUs）的第一代产品HGS-1000相比，HGS-6000只有43磅重，3套LRUs。如果整合到罗克韦尔·柯林斯的驾驶舱整体系统Pro Line Fusion Flightdeck里，HGS-6000就只有29磅重，配有2套LRUs。

除了在新一代产品上进行重量和配件上的改进，罗克韦尔·柯林斯还专门为小型和中型公务机研发了HGS-3500。这款2011年推出的产品与其他HGS不同，它不需要独立投影仪，合成显示器的框架就囊括了所有组件，整个装置的重量只有12磅。

罗克韦尔·柯林斯推出HGS-3500不仅仅是出于进一步发展公务机市场的需要，更深层次的原因在于培养用户习惯。罗克韦尔·柯林斯的HGS关键系统工程师Peter Howells曾说道：“一旦飞行员开始使用HGS，他们就再也不想回到以前的那种驾驶舱里了。一旦用惯了HGS-3500的飞行员开始驾驶更大型的飞机，他们也会要求飞机必须要装有HGS系统。”

在减少整套系统重量、降低装配繁琐程度的同时，生产商也正在竭力降低合成显示器的重量与耗能，提升其显示性能。

早期的HGS合成显示器使用的是极射线显像管显示器CRT，看上去很厚重，常被航空公司形容为“50年代的苏联货”。如果使用液晶显示屏LCD制造合成显示器，会比CRT重量更轻、更不易发热、耗能也更低，最关键的是，LCD所呈现的画面亮度更高，显示EVS等系统的效果更好。

在这一领域首先推出商用产品的公司是泰雷兹。2005年4月，泰雷兹为空客交付了世界上第一套使用LCD作为合成显示器的HUD系统，这套HUD装在空客A340-600上用于飞行测试。2009年，空客为法航交付了第一架装有HUD系统的空客A380，这套HUD也使用了LCD。

紧随其后的是罗克韦尔·柯林斯。2007年，罗克韦尔·柯林斯在巴黎航展上宣布，捷兰航空的26架E190都加装了双侧HGS系统，并已经投入运营，其配备的HGS-5600也采用了LCD。

在第六代产品HGS-6000中，罗克韦尔·柯林斯更是在合成显示器部分使用了具备LED背光的有源矩阵LCD技术，大大提高了对比度和分辨率，使得即便在日光强烈的上万英尺高空，玫瑰色的合成显示器上也可以显示出四个色调的绿色，并且保证关键符号的清晰无误。

“抬起头来，看着前面”

最开始，HUD的功能仅限于在合成显示器上同步显示PFD和ND上的飞行信息。但现在合成显示器能够呈现的信息已经越来越丰富。这得益于软件系统的发展。

在罗克韦尔·柯林斯为庞巴迪Global Vision驾驶舱所提供的HGS-6000中，包含了三种使用模式：标准HUD飞行模式，EVS飞行模式和SVS飞行模式。这是世界上首个在HUD上使用SVS系统的飞机驾驶舱系统。

EVS是使用如短波红外摄像机这样的外在传感器，穿透云雾和黑暗，形成地形地貌和跑道数据，然后投影在仪表盘的低头显示器或者HUD上。虽然EVS能够实时探测到降落区域的障碍物，让飞行员能够做出迅速的判断。但缺点在于短波红外摄像机的性能可能会受到当时天气状况的影响：虽然红外装备在雾天所能够探测到的距离是人眼的两倍，但一定厚度的雾气或者烟尘沉淀仍然能够削弱它的探测能力。

SVS则使用飞机上所存储的数字地面高程数据，配合GPS所提供的地点、高度、航向、航迹以及海拔高度等数据，形成3D形式的地形等高线图，并和跑道图像一起生成在显示器上。SVS虽然可以不受天气干扰，但也必须依赖于已经发布的地形资料，不能实时发现跑道和环境状况。因此，目前FAA认为SVS虽然能够提高情景意识，但在低能见度进近时不能被用作飞行操作的根据。为了确保HGS能够实现数据整合，罗克韦尔·柯林斯一直试图将EVS和SVS的显示合成起来，形成综合视景系统CVS，并且一直在跟FAAA讨论认证事宜。

在SVS的显示上，罗克韦尔·柯林斯和霍尼韦尔发展出了不同的理念。

罗克韦尔·柯林斯奉行的哲学是“抬起头来，看着前面”，也就是将SVS显示在合成显示器上。罗克韦尔·柯林斯的HGS关键系统工程师Peter Howells认为：“将SVS显示在HGS上能够提高飞行员的情景意识，让他们不需要用肉眼再去观察外界的情况。”更重要的是，平视的合成显示器可以让飞行员一直处于抬头状态，尤其是在着陆进近这种关键时刻。罗克韦尔·柯林斯的航电和飞控市场主管John Peterson举例说，飞行高度在200英尺时，飞行员要从低头状态改为抬头状态，需要反复的观察仪表盘四到五次，花费三到四秒，而这几秒钟内飞机可能已经下降了40英尺。

霍尼韦尔则认为，SVS应该只显示在低头仪表盘上，而不需要显示在平视的合成显示器上。因为飞行员到达决断高度时，最关键的需求是确认跑道，这一过程花费的时间越久，复飞的可能性就越大。通过在低头仪表盘上查看速度等数据，飞行员可以进行实时的复飞准备。虽然低头看仪表所花费的时间很大程度上取决于经验，因为经验能够决定飞行员的视力集中程度。但霍尼韦尔的飞行试验证明，低头并不会让飞行质量更差。基于这一理念，霍尼韦尔的Smart View SVS产品已经交付湾流和达索公司投入使用，并且正在推动显示在低头仪表盘上的结合SVS和EVS的CVS系统获得FAA认证。