民用飛機(jī)增強(qiáng)型飛行視景系統(tǒng)研究

費(fèi)益

【摘 要】增強(qiáng)型飛行視景系統(tǒng)在民用航空業(yè)是一項(xiàng)新興技術(shù)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚處于起步階段。本文對(duì)這一新技術(shù)的特征、系統(tǒng)要求及其應(yīng)用進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)型飛行視景系統(tǒng)；視景增強(qiáng)系統(tǒng)；平顯系統(tǒng)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，惡劣天氣和起降安全是困擾民航運(yùn)輸?shù)膬纱箅y題，成為影響民航運(yùn)行安全、正點(diǎn)率和運(yùn)營(yíng)成本的主要因素。增強(qiáng)型飛行視景系統(tǒng)（EFVS）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為破解這兩大難題提供了一種便捷的途徑。

EFVS，是視景增強(qiáng)系統(tǒng)（EVS）與平顯系統(tǒng)（HUD）的綜合，它將EVS獲取的飛機(jī)前方場(chǎng)景的紅外圖像與HUD上顯示的主飛行信息融合，顯示在飛行員前方的平顯組合儀上，并且保證所顯示的圖像、符號(hào)與外界場(chǎng)景是重合的。

EFVS能夠增強(qiáng)飛行員態(tài)勢(shì)感知能力，既使飛行員“看得更清”，也使飛行員“飛得更準(zhǔn)”。在低能見(jiàn)度氣象條件下，EFVS能將飛機(jī)前方場(chǎng)景呈現(xiàn)給飛行員，以獲得一個(gè)等同于標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)近程序規(guī)定的能見(jiàn)度。飛行員依靠這一增強(qiáng)的飛行能見(jiàn)度識(shí)別跑道目視參考，按照FAR 91.175（l）條規(guī)定，駕駛飛機(jī)至最低決斷高度以下、接地區(qū)標(biāo)高100英尺以上[1]。

1 EFVS系統(tǒng)介紹

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的定義，EFVS是一種利用圖像傳感器（如前視紅外或毫米波探測(cè)器）為飛行員提供飛行前方外部場(chǎng)景顯示的電子系統(tǒng)[2]。

EFVS將圖像傳感器采集到的信息送到圖像處理模塊中，并與平顯顯示字符進(jìn)行融合，處理完的視頻圖像經(jīng)視頻總線傳輸?shù)狡斤@投影裝置，最終顯示在組合儀上。

2 EFVS與EVS的區(qū)別

EVS是EFVS系統(tǒng)的組成部分，相對(duì)于獨(dú)立的EVS，兩者主要存在以下區(qū)別：

a.對(duì)于EVS來(lái)說(shuō)，對(duì)平顯上顯示的主飛行信息無(wú)特殊要求，其增強(qiáng)視景圖像不要求在平顯上顯示，更不要求圖像與外界場(chǎng)景對(duì)準(zhǔn)。EVS只是用于增強(qiáng)飛行員的情境意識(shí)，飛行員不能憑借EVS獲得增強(qiáng)的飛行能見(jiàn)度，也不能憑借EVS來(lái)識(shí)別著陸所必須的參照物，飛行員必須嚴(yán)格按照FAR 91.175（c）（d）（e）的規(guī)定執(zhí)行著陸或復(fù)飛程序。

b.作為EFVS，必須具備如下特征，而EVS則可不具備：

1）EFVS的增強(qiáng)視景圖像必須和儀表飛行信息（如姿態(tài)、飛行航跡矢量、飛行航跡角參考符號(hào)）一起顯示在平顯上，從而保證主飛飛行員在其正常的操作位置上沿飛行航跡方向就能清楚地看到這些信息；

2）EFVS的增強(qiáng)視景圖像，以及平顯上的姿態(tài)、飛行航跡矢量、飛行航跡角參考符號(hào)、其它與外界場(chǎng)景相關(guān)的符號(hào)，都必須和外界場(chǎng)景對(duì)準(zhǔn)；

3）飛行航跡角參考符號(hào)必須顯示在平顯俯仰刻度帶上，并允許飛行員選擇進(jìn)近所需要的下降角、監(jiān)控飛機(jī)在進(jìn)行沒(méi)有垂直導(dǎo)引的進(jìn)近時(shí)的垂直航跡；

4）EFVS的增強(qiáng)視景圖像以及平顯上的其它顯示符號(hào)不能妨礙飛行員透過(guò)風(fēng)擋觀察外界場(chǎng)景；

5）EFVS需要從飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行導(dǎo)引系統(tǒng)（如平顯不具備導(dǎo)引計(jì)算功能）獲取信息；

6）EFVS的顯示特征和動(dòng)態(tài)畫(huà)面必須有利于飛行員手動(dòng)控制飛機(jī)。

c.從運(yùn)行角度來(lái)說(shuō)，EFVS可以幫助飛行員獲得增強(qiáng)的飛行能見(jiàn)度，并辨認(rèn)FAR 91.175（l） （3）所要求的目視參考，在除CAT II和CAT III類的進(jìn)近中駕駛飛機(jī)至最低決斷高度以下，接地區(qū)標(biāo)高100ft以上。而在使用EVS時(shí)，只能參照一般獲取目視參考的進(jìn)近來(lái)運(yùn)行。需要指出的是，即使在借助EFVS的進(jìn)近中，飛機(jī)在距離接地區(qū)100英尺高度時(shí)，飛行員依然需要目視辨別FAR 91.175（l）（4）中指定的跑道參照物，否則就必須執(zhí)行復(fù)飛。2013年6月，F(xiàn)AA發(fā)布了對(duì)使用EFVS進(jìn)行著陸運(yùn)行批準(zhǔn)的修改建議書(shū)，擬將原來(lái)使用EFVS最低下降至距接地區(qū)100英尺以上變?yōu)橹苯酉陆抵两拥貐^(qū)。在不久的將來(lái)，EFVS將可以發(fā)揮與CATⅢ進(jìn)近導(dǎo)引相同的作用，EFVS所能帶來(lái)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

3 EFVS系統(tǒng)要求

3.1 EFVS對(duì)平顯的要求

平顯也是EFVS系統(tǒng)的組成部分，平顯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了滿足ARP5288、AS8055等行業(yè)規(guī)范外，必須考慮以下要求：

a.平顯的視場(chǎng)設(shè)計(jì)必須保證在所有可預(yù)期的飛機(jī)姿態(tài)、構(gòu)型、環(huán)境（如風(fēng)切變）下，EFVS的增強(qiáng)視景圖像都對(duì)飛行員可見(jiàn)，且與外界場(chǎng)景是對(duì)準(zhǔn)的；

b.平顯上至少需要顯示以下飛行信息：

1）空速；

2）垂直速度；

3）姿態(tài)；

4）航向；

5）高度；

6）進(jìn)近和著陸指引；

7）航跡偏移指示；

8）飛行航跡矢量；

9）飛行航跡角參考符號(hào)。

3.2 EFVS的最低性能要求

EFVS增強(qiáng)視景圖像的顯示延遲不應(yīng)超過(guò)100ms。

EFVS增強(qiáng)視景圖像視場(chǎng)至少為水平20°、垂直15°（以飛行員水平視線為分界線進(jìn)行度量）。并且當(dāng)圖像以飛行航跡矢量為中心進(jìn)行描述時(shí)，垂直視場(chǎng)至少為5°（±2.5°）。

從平顯眼位參考點(diǎn)處觀察，EFVS增強(qiáng)視景圖像的抖動(dòng)幅度應(yīng)小于0.6mrad。

當(dāng)EFVS增強(qiáng)視景圖像的顯示亮度以0.25HZ以上的頻率變化時(shí)，就形成了閃爍。從平顯眼盒內(nèi)觀察EFVS視場(chǎng)內(nèi)的圖像，光強(qiáng)從環(huán)境光強(qiáng)到平顯最大光強(qiáng)之間變化，都不應(yīng)給飛行員帶來(lái)不可接受的閃爍。

EFVS初次安裝時(shí)需經(jīng)過(guò)光學(xué)校準(zhǔn)。經(jīng)校準(zhǔn)后，圖像的精度誤差從設(shè)計(jì)眼位處測(cè)量，在顯示畫(huà)面中央必須小于5.0mrad。

增強(qiáng)視景圖像的分辨率必須保證在距離接地區(qū)200ft高度時(shí)，并且飛機(jī)以3°的下滑角進(jìn)近時(shí)，能夠使飛行員辨認(rèn)60ft寬的跑道。

增強(qiáng)視景圖像中壞像素的比例不能超過(guò)整個(gè)顯示區(qū)域的1%。

4 EFVS應(yīng)用前景

目前，國(guó)際上EFVS在公務(wù)機(jī)（以灣流為代表）和貨運(yùn)機(jī)（以聯(lián)邦快遞為代表）上已比較普遍地應(yīng)用，但是在商用客機(jī)上尚無(wú)應(yīng)用和驗(yàn)證的先例。針對(duì)現(xiàn)有的EFVS運(yùn)行規(guī)則，國(guó)際上已有許多成功取證的例子，首都航空裝備EFVS的公務(wù)機(jī)在國(guó)內(nèi)也得到了中國(guó)民航局（CAAC）的運(yùn)行批準(zhǔn)。從FAA發(fā)布的對(duì)使用EFVS進(jìn)行著陸運(yùn)行批準(zhǔn)的修改建議書(shū)來(lái)看，未來(lái)對(duì)裝備EFVS飛機(jī)的著陸所需條件會(huì)越來(lái)越放寬，也就是說(shuō)，EFVS在CAT I和CAT II類機(jī)場(chǎng)所能發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯，這對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)具備眾多CAT I類機(jī)場(chǎng)的國(guó)家來(lái)說(shuō)，EFVS必將在公務(wù)機(jī)、貨運(yùn)機(jī)及商用客機(jī)上得到非常廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

EFVS對(duì)于增強(qiáng)飛行安全能夠發(fā)揮顯著作用，它能（下轉(zhuǎn)第124頁(yè)）（上接第111頁(yè)）夠降低飛機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施的依賴，在低等級(jí)的機(jī)場(chǎng)實(shí)施高級(jí)別的進(jìn)近，擴(kuò)大飛機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)的適應(yīng)能力和運(yùn)行范圍，降低運(yùn)行成本。本文著重闡述了EFVS相對(duì)EVS的設(shè)計(jì)特征，以及EFVS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，給出了EFVS的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了其應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]FAR 91， GENERAL OPERATING AND FLIGHT RULES[S]. Federal Aviation Administration， 2010.

[2]AC 20-167， Airworthiness Approval of Enhanced Vision System， Synthetic Vision System， Combined Vision System， and Enhanced Flight Vision System Equipment[S]. Federal Aviation Administration， 2010.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]