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HUD新技术助力破解航班延误
发布时间:2016.06.27  查看:

   借助于HUD新技术的安全特性和降低运行标准的优势,使航空营运人不仅提高了安全水平,而且提高了航班的准点率,避免了航班的复飞备降,有效地改善航空公司的运营效率,减少因流量激增或天气状况等原因导致的航班延误和取消,打造一个兼顾安全与效率的飞行环境。

   2015年3月16日,山航在上海浦东机场成功实施基于HUD的II类标准着陆。这是中国民航首次使用HUD技术实施II类运行,标志着HUD的应用进入一个全新阶段。此前不久,山航使用HUD技术在济南机场成功实现了RVR200米低能见起飞,开启了HUD技术应用实践的新突破。

   一、HUD背景及系统介绍

HUD是飞机平视显示器英文翻译的简称(Head Up Display),它是一种机载光学显示系统。HUD利用计算机将地面导航以及飞行姿态信息集成显示在平视显示器上,它可以在飞行员正前方的视野范围内显示飞行信息,如同很多科幻电影中经常会出现的类似“透明显示器”。

   (1)军事领域。HUD技术发源于此,除了显示常规的飞行参数、姿态信息,最重要是与火控系统结合,大大提高作战效率。HUD显示技术朝HMS(Helmet Mounted Display头盔显示系统)发展。HMS优势例举:1.视场更大,与CVS(Combined Visual System)结合,能获得更好的地形感知能力;2.离轴攻击,航炮可随头盔转动。

   (2)汽车行业。1988年,HUD第一次以选装的安全配置出现在通用车型上。现在越来越多高档车型采用HUD,例如BMW:投射半透明影像在驾驶员视线前2米位置(无需视觉焦点从路面到投影间转换),信息采用全色彩显示(根据信息重要性分类,用不同色彩标记),显示参数除了常规的速度、转速、油量等外,结合导航系统进行路面实时领航信息,并有行人告警,还可与夜视系统整合。BMW声称HUD可使平均行驶速度比无HUD快50%。

   (3)民航领域。阿拉斯加航空,在1987年,首次将其用于民航载客飞行,机队23架波音727-200装备HUD,为IIIA类标准运行提供手动着陆解决方案。解决了在复杂地形和天气条件下的航路及机场的飞行安全问题。

   HUD系统主要组成部分包括计算机、投影装置、合成仪、控制面板以及告示板。系统结构图1所示。HUD计算机是平显系统的核心部分,来自于飞机传感器和其它子系统的输入信号通过计算机内部两套独立的输入、输出系统进行采集处理后,得到计算机所需要的飞机参数,然后通过引导信息、符号构成和定位计算进行驱动,发送X轴和Y轴偏转信号及Z轴亮度信号给投影装置OHU。

   中国民航局希望通过HUD这项新技术在全行业应用,逐步提升我国民航安全品质和提高运行效率,帮助解决民航运输系统在快速发展中所面临的诸多挑战。航空公司和机场也按照中国民航局制定的《HUD发展路线图》的要求逐步推广使用,在2025年前全部安装HUD设备。

   二、HUD的技术优势

   HUD新航行技术的引进与推进,为我国民航运行带来安全效益是显而易见的,其使用中具有以下几方面优势:

   1.降低机场运行标准,提高运营人全天候运行能力。HUD高性能的飞行电子设备可减少对地面基础设施的某些要求,并带来降低着陆天气标准的可能性,与可靠的ILS和低能见度运行程序相结合,允许航空营运人在I类精密进近地面设施上实施更低天气标准的增强Ⅰ、Ⅱ类运行。在起飞方面:HUD为飞行员提供完成起飞操纵所需的全部信息,期间无需俯视传统座舱仪表。这相较于无HUD飞机,有更高的安全性。在高速阶段,即便短暂的低头俯视仪表,都会使飞行员对外界情况失去感知,并须数秒才能恢复。在低能见运行中更是如此。许多报告显示,采用HUD飞行的飞行员,因无需俯视仪表的优势,已无数次从跑道入侵和跑道交通冲突情况下,将飞机挽救于损毁;在着陆方面:采用HUD监控自动着陆系统,提供给飞行员盲降输入的预期值,使之在进近中保持对信息的知悉。虽然飞行员不在自驾的主动控制环之内,但HUD结合盲降仍能给飞行员足够的情景意识。

   2.提高运行品质,增加飞行员情景意识。情境意识即提供大量符号为飞行员呈现飞机的航迹、惯性和性能等飞行参数。其中某些信息飞行员无法从下显中获得,但如果增加到抬头显示中,飞行员通过扫视便可显著增强对飞机实时飞行状态的意识。该信息或许看起来次要,但如果连续地合并到飞行扫视中,并与主要信息相结合,将告知飞行员更为细节的飞机性能状态,这是传统低头显示设备无法提供的。HUD能提供优越的情景意识,秘诀在于从HUD可获悉精准的细节信息。飞行员可通过所获得实时的飞行状态进行预测,使得飞机的操纵稳定性也得以增强。为使飞行员保持对HUD运行的稳定性和熟练度,必须使其受训为将HUD作为整个飞行时间的显示设备或作为所有飞行阶段的首要飞行参考。

   3.实时性能监控,保证飞行安全。HUD也提供一个专用的流程功能,该功能保证低能见度着陆运行的安全和完整性。在这些关键运行中,HUD监视进近的稳定性和精度以保证把飞机以适当的方式过渡到预期的接地区。这个过程是通过周期性地评估几个关键的飞机状态变量(垂直速度、空速、ILS偏差、ILS轨道横向速度等)来完成的。在一个状态变量超出了设立的限度的情况下,HUD自动地显示一个警告符以警示机组一个复飞势在必行。除了在进近中监视状态变量,HUD也监视这类着陆,即这类着陆可能导致接地发生在离跑道中心线太远的地方或者接地发生在跑道接地区之前的地方。

   4.HUD与RNP结合,提高运行能力。HUD变常规仪表的飞机姿态指引为轨迹指引,而且信号灵敏度高,飞行员视野广,可以与目前正在推广的RNP技术有机的结合起来,最大限度地提高了人工操作的飞行精度,简化地面设施的情况下降低运行标准,提高航空公司的运行能力。

   5.显示重要的辅助提示,形成闭环运行。首先当飞机的俯仰角度接近擦尾角度或在起飞抬轮过程中(低于离地高度10英尺)俯仰率过大,HUD将会显示擦尾俯仰限制符号。其次HUD的运营人正逐渐感受到HUD在单发程序上带来的可观安全效益。HUD组合器上显示的信息是基于飞机惯性特性,它更直观灵敏,使飞行员用更少的时间来鉴别发动机是否失效,以便及时稳定飞机。再次一些风切变警告信息显示在飞机参考符号上方,以字母“WINDSHEAR”表示;当近地警告系统GPWS探测到风切变,该风切变警告符号显示。最后HUD也能显示飞机在起飞滑跑或着陆时剩余跑道长度,其显示以每500英尺(或者米,取决于设定)为间隔的数字标尺,该符号模拟了跑道标识:每经过一个标识,距离减少500英尺。

   三、HUD与其它技术融合

   航空新技术发展日新月异,随着HUD技术的发展,逐渐出现了可以加装在HUD上的新技术,如EVS、SVS、GLS等等。

   1. SVS(Synthetic Vision System)合成视景系统。“增强视景系统(SVS)是通过一种电子方式,为机组显示外部地形场景”SVS图像是计算机生成,并非外界“实时”图像(EVFS是“实时”图像)需要地形及障碍物数据库,并需要精确的导航解决方案(实现实时位置与数据库精确叠加)。

   2.EVS(Enhanced Vision System)增强视景系统。利用一种电子方式,向航空器驾驶员提供经传感器产生的或增强的外部环境图像(例如:毫米波雷达、FLIR红外前视仪等)。EVS可以单独使用,也可以和HUD融合使用,通过平视镜向飞行员提供跑道特征与周围地形和障碍物等图像多种特性。当其与HUD融合使用时,就形成增强飞行视景系统(EFVS: Enhanced Flight Vision System),这是一种图像传感技术,以增强图像的形式,将外部环境实时的展现给飞机驾驶员,图所示。

                      屏显系统HUD+增强视觉系统(EVS)=增强飞行视景系统EFVS

   3.CVS(Combined Vision Systems)组合视景系统。这也是未来的技术发展趋势,通过合成视景系统与增强飞行视景系统完美融合,能够通过有效提升飞行员环境识别能力来提升飞行安全和效率,减少因恶劣天气而造成的飞行线路临时改变、航班取消或飞行时间延长等状况,从而减少飞行成本的增加和安全隐患。

   4. 卫星定位导航着陆系统(GLS:GBAS Landing System),即地基导航着陆系统。HUD提高内部产生的飞行指令,允许Ⅲ类条件下的进近、着陆。目前这些飞行引导命令利用的是ILS导航信息,然后也可以将HUD配置成利用GLS信息实现指导功能。

   四、总结

   随着我国民航业快速发展,航空运输量不断增长,航班准点率再次成为社会关注点之一,而频繁发生的恶劣天气则为这个热点蒙上了愈加沉重的阴霾。借助于HUD新技术的安全特性和降低运行标准的优势,使航空营运人不仅提高了安全水平,而且提高了航班的准点率,避免了航班的复飞备降,有效地改善航空公司的运营效率,减少因流量激增或天气状况等原因导致的航班延误和取消,打造一个兼顾安全与效率的飞行环境。

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