武晨

近幾年我國(guó)民航運(yùn)輸量持續(xù)增長(zhǎng)，給我國(guó)航空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和航空運(yùn)行管理工作提出了新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于飛行要“靠天吃飯”，雨、雪、風(fēng)、雷等天氣都直接影響著飛行安全和正點(diǎn)運(yùn)行。尤其是近幾年，越演越烈的霧霾正在越來(lái)越多的影響到正常的航空運(yùn)行工作。

面對(duì)這些問(wèn)題，中國(guó)民航局明確提出要加快航空運(yùn)行新技術(shù)的運(yùn)用。平視顯示器HUD就是這樣一種能夠降低飛機(jī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、降低對(duì)機(jī)場(chǎng)等地面設(shè)施要求的新型利器。2009年一項(xiàng)由Flight Safety Foundation做出的相關(guān)調(diào)查顯示，當(dāng)飛行員使用HUD時(shí)，可以將飛行事故減少38%。這肯定了HUD在提高飛行員的情景意識(shí)和飛行品質(zhì)、確保飛行持續(xù)安全、減少天氣的影響等方面的重要作用。

嘗試、認(rèn)同與發(fā)展

HUD在國(guó)外的應(yīng)用歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)。最早的HUD起源于二戰(zhàn)時(shí)期的陀螺儀瞄準(zhǔn)器，在上世紀(jì)60年代已經(jīng)大量使用在軍機(jī)上，作為一種低能見(jiàn)度條件下的輔助著陸工具，并逐漸引起了民航飛行員的注意。

世界上第一臺(tái)用在民用飛機(jī)上的HUD出現(xiàn)在法國(guó)。1972年3月，法國(guó)試飛員Gilbert Klopfstein在法國(guó)布雷蒂尼的飛行測(cè)試中心對(duì)一種基于軍用產(chǎn)品簡(jiǎn)化而來(lái)的HUD系統(tǒng)CV-91進(jìn)行了目視進(jìn)近飛行測(cè)試。CV-91后來(lái)發(fā)展為第一代民用HUD產(chǎn)品TC-121。TC-121包括一個(gè)從儀表著陸系統(tǒng)ILS中衍生出來(lái)的合成跑道模型，以及一套著陸拉平指令。

1974年，當(dāng)時(shí)法國(guó)的航空公司Air Inter為運(yùn)行商業(yè)航線的達(dá)索水星飛機(jī)裝配了Sextant公司（后被Thomson CSF公司收購(gòu)，Thomson CSF公司即現(xiàn)泰雷茲公司的前身）生產(chǎn)的HUD系統(tǒng)。飛行試驗(yàn)證明，裝有HUD的水星飛機(jī)在精密進(jìn)近運(yùn)行類(lèi)型CAT IIIA（最低RVR為500英尺，DH為50英尺）條件下能夠安全運(yùn)行。

后來(lái)Sextant對(duì)HUD進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展出TC-125，并在美國(guó)進(jìn)行了演示。美國(guó)企業(yè)馬上對(duì)此顯示出了濃厚的興趣。麥道公司首先進(jìn)入了這一領(lǐng)域，為當(dāng)時(shí)的太平洋西南航空公司的MD-80飛機(jī)裝配了HUD。但當(dāng)時(shí)的HUD只能被用作自動(dòng)著陸系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須使用目視進(jìn)近和起飛時(shí)的顯示器。

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)的Flight Dynamics公司推出了一款HUD，將其命名為“平視指引系統(tǒng)”HGS。HGS率先使用了軍用HUD常用的全息光學(xué)顯示屏作為合成顯示器，在可靠性和使用體驗(yàn)上都有了進(jìn)步。這就是HGS家族的第一款產(chǎn)品：HGS-1000。

顧客很快就上門(mén)了。1985年12月，阿拉斯加航空公司的運(yùn)營(yíng)中心之一，西雅圖的塔科馬國(guó)際機(jī)場(chǎng)因?yàn)槭艽箪F天氣影響，中斷運(yùn)行達(dá)十天之久。在這一事件的推動(dòng)下，阿拉斯加航空公司很快決定為其整個(gè)波音727機(jī)隊(duì)裝配HGS系統(tǒng)。1989年，阿拉斯加航空公司在裝有HGS的波音727飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了CAT IIIA條件下的手動(dòng)降落，成為第一家從HGS運(yùn)行中獲利的航空公司。

此后不久，運(yùn)行基地同在西雅圖-塔科馬機(jī)場(chǎng)的視野航空公司也為旗下的沖8-100裝了HGS系統(tǒng)。很多年后，羅克韋爾·柯林斯的HGS商用工程系統(tǒng)主管Robert Wood回憶道：“當(dāng)西雅圖被濃霧籠罩，滑行道被封鎖時(shí)，裝了HGS的沖8可以做一個(gè)U字形的轉(zhuǎn)彎然后起飛，而旁邊那些全新的波音B777卻只能干等著！”

在市場(chǎng)上獲得了好口碑的HGS發(fā)展迅速。1999年，羅克韋爾·柯林斯全資收購(gòu)了Flight Dynamic公司。此后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，羅克韋爾·柯林斯都在民航運(yùn)輸領(lǐng)域的HUD市場(chǎng)上一家獨(dú)大，并研發(fā)出了合成視景系統(tǒng)SVS等最新技術(shù)。

20世紀(jì)末至今，全球民航運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的急速增長(zhǎng)在為羅克韋爾·柯林斯的HGS業(yè)務(wù)帶來(lái)豐厚回報(bào)的同時(shí)，也為其引入了“老對(duì)手”。

2001年，空客開(kāi)始考慮為空客系列飛機(jī)加裝HUD系統(tǒng)。從1970年代起，在為Air Inter裝配了HUD之后，Sextant公司的HUD市場(chǎng)并沒(méi)有大的進(jìn)展，只有Air inter， Swissair和Austrian Airlines三家公司為旗下部分機(jī)型裝備了HUD系統(tǒng)。據(jù)稱，空客對(duì)HUD興趣不大的主要原因在于空客自身已經(jīng)發(fā)展出了一套比較成熟的自動(dòng)降落系統(tǒng)，能夠在CAT IIIB條件下安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)兩年的研究與評(píng)估，空客在2003年3月確定泰雷茲為其HUD的制定供應(yīng)商。在經(jīng)過(guò)與羅克韋爾·柯林斯的激烈競(jìng)爭(zhēng)后，泰雷茲這個(gè)“老伙伴”重新回到了民航HUD的舞臺(tái)之上?？梢?jiàn)，這將使得未來(lái)HUD系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。

更輕，更薄，更可靠

從硬件方面來(lái)看，讓HUD變得更加輕薄是所有生產(chǎn)商共同努力的方向。羅克韋爾·柯林斯集團(tuán)HGS工程商業(yè)系統(tǒng)高級(jí)主管David Austin曾經(jīng)這樣概括HGS的發(fā)展趨勢(shì)：“HGS正在變得更輕、更薄、更加可靠，并且要支持增強(qiáng)視景系統(tǒng)EVS、合成視景系統(tǒng)SVS和支持飛機(jī)滑行的地面引導(dǎo)系統(tǒng)SGS。”

2012年初，羅克韋爾·柯林斯為龐巴迪的Global Vision駕駛艙（用于全球快車(chē)系列飛機(jī)）提供了全新一代的HGS產(chǎn)品：HGS-6000。與重60磅、有6套線性可更換組件（Line-Replaceable Units，LRUs）的第一代產(chǎn)品HGS-1000相比，HGS-6000只有43磅重，3套LRUs。如果整合到羅克韋爾·柯林斯的駕駛艙整體系統(tǒng)Pro Line Fusion Flightdeck里，HGS-6000就只有29磅重，配有2套LRUs。

除了在新一代產(chǎn)品上進(jìn)行重量和配件上的改進(jìn)，羅克韋爾·柯林斯還專門(mén)為小型和中型公務(wù)機(jī)研發(fā)了HGS-3500。這款2011年推出的產(chǎn)品與其他HGS不同，它不需要獨(dú)立投影儀，合成顯示器的框架就囊括了所有組件，整個(gè)裝置的重量只有12磅。

羅克韋爾·柯林斯推出HGS-3500不僅僅是出于進(jìn)一步發(fā)展公務(wù)機(jī)市場(chǎng)的需要，更深層次的原因在于培養(yǎng)用戶習(xí)慣。羅克韋爾·柯林斯的HGS關(guān)鍵系統(tǒng)工程師Peter Howells曾說(shuō)道：“一旦飛行員開(kāi)始使用HGS，他們就再也不想回到以前的那種駕駛艙里了。一旦用慣了HGS-3500的飛行員開(kāi)始駕駛更大型的飛機(jī)，他們也會(huì)要求飛機(jī)必須要裝有HGS系統(tǒng)?！?/p>

在減少整套系統(tǒng)重量、降低裝配繁瑣程度的同時(shí)，生產(chǎn)商也正在竭力降低合成顯示器的重量與耗能，提升其顯示性能。

早期的HGS合成顯示器使用的是極射線顯像管顯示器CRT，看上去很厚重，常被航空公司形容為“50年代的蘇聯(lián)貨”。如果使用液晶顯示屏LCD制造合成顯示器，會(huì)比CRT重量更輕、更不易發(fā)熱、耗能也更低，最關(guān)鍵的是，LCD所呈現(xiàn)的畫(huà)面亮度更高，顯示EVS等系統(tǒng)的效果更好。

在這一領(lǐng)域首先推出商用產(chǎn)品的公司是泰雷茲。2005年4月，泰雷茲為空客交付了世界上第一套使用LCD作為合成顯示器的HUD系統(tǒng)，這套HUD裝在空客A340-600上用于飛行測(cè)試。2009年，空客為法航交付了第一架裝有HUD系統(tǒng)的空客A380，這套HUD也使用了LCD。

緊隨其后的是羅克韋爾·柯林斯。2007年，羅克韋爾·柯林斯在巴黎航展上宣布，捷蘭航空的26架E190都加裝了雙側(cè)HGS系統(tǒng)，并已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，其配備的HGS-5600也采用了LCD。

在第六代產(chǎn)品HGS-6000中，羅克韋爾·柯林斯更是在合成顯示器部分使用了具備LED背光的有源矩陣LCD技術(shù)，大大提高了對(duì)比度和分辨率，使得即便在日光強(qiáng)烈的上萬(wàn)英尺高空，玫瑰色的合成顯示器上也可以顯示出四個(gè)色調(diào)的綠色，并且保證關(guān)鍵符號(hào)的清晰無(wú)誤。

“抬起頭來(lái)，看著前面”

最開(kāi)始，HUD的功能僅限于在合成顯示器上同步顯示PFD和ND上的飛行信息。但現(xiàn)在合成顯示器能夠呈現(xiàn)的信息已經(jīng)越來(lái)越豐富。這得益于軟件系統(tǒng)的發(fā)展。

在羅克韋爾·柯林斯為龐巴迪Global Vision駕駛艙所提供的HGS-6000中，包含了三種使用模式：標(biāo)準(zhǔn)HUD飛行模式，EVS飛行模式和SVS飛行模式。這是世界上首個(gè)在HUD上使用SVS系統(tǒng)的飛機(jī)駕駛艙系統(tǒng)。

EVS是使用如短波紅外攝像機(jī)這樣的外在傳感器，穿透云霧和黑暗，形成地形地貌和跑道數(shù)據(jù)，然后投影在儀表盤(pán)的低頭顯示器或者HUD上。雖然EVS能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)到降落區(qū)域的障礙物，讓飛行員能夠做出迅速的判斷。但缺點(diǎn)在于短波紅外攝像機(jī)的性能可能會(huì)受到當(dāng)時(shí)天氣狀況的影響：雖然紅外裝備在霧天所能夠探測(cè)到的距離是人眼的兩倍，但一定厚度的霧氣或者煙塵沉淀仍然能夠削弱它的探測(cè)能力。

SVS則使用飛機(jī)上所存儲(chǔ)的數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)，配合GPS所提供的地點(diǎn)、高度、航向、航跡以及海拔高度等數(shù)據(jù)，形成3D形式的地形等高線圖，并和跑道圖像一起生成在顯示器上。SVS雖然可以不受天氣干擾，但也必須依賴于已經(jīng)發(fā)布的地形資料，不能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)跑道和環(huán)境狀況。因此，目前FAA認(rèn)為SVS雖然能夠提高情景意識(shí)，但在低能見(jiàn)度進(jìn)近時(shí)不能被用作飛行操作的根據(jù)。為了確保HGS能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)整合，羅克韋爾·柯林斯一直試圖將EVS和SVS的顯示合成起來(lái)，形成綜合視景系統(tǒng)CVS，并且一直在跟FAAA討論認(rèn)證事宜。

在SVS的顯示上，羅克韋爾·柯林斯和霍尼韋爾發(fā)展出了不同的理念。

羅克韋爾·柯林斯奉行的哲學(xué)是“抬起頭來(lái)，看著前面”，也就是將SVS顯示在合成顯示器上。羅克韋爾·柯林斯的HGS關(guān)鍵系統(tǒng)工程師Peter Howells認(rèn)為：“將SVS顯示在HGS上能夠提高飛行員的情景意識(shí)，讓他們不需要用肉眼再去觀察外界的情況?！备匾氖?，平視的合成顯示器可以讓飛行員一直處于抬頭狀態(tài)，尤其是在著陸進(jìn)近這種關(guān)鍵時(shí)刻。羅克韋爾·柯林斯的航電和飛控市場(chǎng)主管John Peterson舉例說(shuō)，飛行高度在200英尺時(shí)，飛行員要從低頭狀態(tài)改為抬頭狀態(tài)，需要反復(fù)的觀察儀表盤(pán)四到五次，花費(fèi)三到四秒，而這幾秒鐘內(nèi)飛機(jī)可能已經(jīng)下降了40英尺。

霍尼韋爾則認(rèn)為，SVS應(yīng)該只顯示在低頭儀表盤(pán)上，而不需要顯示在平視的合成顯示器上。因?yàn)轱w行員到達(dá)決斷高度時(shí)，最關(guān)鍵的需求是確認(rèn)跑道，這一過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間越久，復(fù)飛的可能性就越大。通過(guò)在低頭儀表盤(pán)上查看速度等數(shù)據(jù)，飛行員可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的復(fù)飛準(zhǔn)備。雖然低頭看儀表所花費(fèi)的時(shí)間很大程度上取決于經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)?zāi)軌驔Q定飛行員的視力集中程度。但霍尼韋爾的飛行試驗(yàn)證明，低頭并不會(huì)讓飛行質(zhì)量更差?；谶@一理念，霍尼韋爾的Smart View SVS產(chǎn)品已經(jīng)交付灣流和達(dá)索公司投入使用，并且正在推動(dòng)顯示在低頭儀表盤(pán)上的結(jié)合SVS和EVS的CVS系統(tǒng)獲得FAA認(rèn)證。