增强飞行视景系统在民用直升机上的应用

2020-04-26高成志于桂杰

科技与创新 2020年7期

高成志，于桂杰

（洛阳电光设备研究所，河南洛阳471000）

随着民用直升机在搜索救援、紧急医疗、公务执法和灭火等领域的应用越来越广泛，其执行的任务越来越复杂，难度越来越大，这就需要迫切提升民用直升机的出勤率和安全性，而平视显示器（HUD）或头盔显示器（HMD）与增强视景系统（EVS）组成的增强飞行视景系统（EFVS）可很好地满足民用直升机的这个需求。由于民用直升机需要适航取证，要求EFVS 从设计之初就要将相关的适航法规、咨询通告、工业标准等需求考虑进来，并在后期的设计方案中予以落实，并向局方和客户提供充分的验证数据。

1 组成

民用直升机的EFVS 系统通过机上安装的HUD 或HMD，将关键的飞行参数信息、导航信息、导引信息与EVS提供的增强视景图像叠加显示在HUD 的组合玻璃上或HMD 的镜片上，使飞行员在保持平视操纵直升机时，既可以获取关键的飞行数据，又可以获取飞机前方的视景，尤其是低能见度条件下的增强飞行视景。HUD 或HMD 上显示的信息包括速度、高度、姿态、航向、垂直速度、风速和风向、低能见度进近导引、增强视景等。

直升机的EFVS 的主要组成包括HUD 或HMD、EVS、处理设备、输入设备、指示设备[1]。

1.1 处理设备

处理设备接收大气数据机、惯性导航系统、自动飞行控制系统、飞行管理系统等航电数据信息进行综合处理，生成符号信息，并与EVS 生成的增强视景图像进行叠加处理，以标准的视频格式信息送至HUD 或HMD 进行显示。处理设备既可以是独立的外场可更换组件（LRU），也可以是综合模块化航电设备（IMA）中的几个模块。

1.2 HUD 或HMD

HUD 或HMD 是一个独立的LRU，接收处理设备生成的标准视频信息，经过光学组件准直和校正后，投影到组合玻璃或光学镜片上供飞行员观察，使飞行员在观看外景的同时，又能获取关键的飞行参数信息，减少了在抬头观察外景和低头俯视仪表之间的转换，大大降低了飞行员的视力疲劳，减轻了其工作负担。

1.3 EVS

EVS 也是一个独立的LRU，利用前视红外传感器实时获取飞机前方外景图像，其能在夜间及雨、雪、雾、霾等低能见度下增强飞行能见度，使飞行员看清飞机前方的跑道、障碍物等。

1.4 输入设备

输入设备主要用于HUD 或HWD 的亮度调节、对比度调节、EVS 画面叠加、防拥等控制，以及EVS 的光窗加热、增益、非均匀校正（NUC）等控制。HUD 的输入控制一般有独立的控制面板；HMD 的输入控制既可以集成到盔体上，又可以集成到专用的控制面板上；而EVS 的输入控制既可以集成到多功能显示器（MFD）上，又可以集成到专用的控制面板上。

1.5 指示设备

指示设备用于向机组通告EFVS 系统的当前工作模式、工作状态及相关告警信息。HUD 或HWD 的指示设备上的信息既可以显示在主飞行显示器（PFD）或多功能显示器（MFD）上，又可以显示在专用的控制面板上。

2 架构

EFVS 根据不同的直升机安装要求和系统配置，其架构也有所不同。同时，EFVS 的架构还受客户预算、使用维护成本、预期功能、安全性指标、航电系统架构等因素的影响。当前，民用直升机上的EFVS 系统有基于HUD 的架构和基于HWD 的架构两种基本架构，但基于HUD 的架构又可以细分为3 种子架构，即基于单HUD 的子架构、基于双HUD的子架构和基于HUD 的集成式架构，而基于HWD 的架构又可以细分为3 种子架构，即基于单HMD 的子架构、基于双HMD 的子架构和基于HMD 的集成式架构，下面仅给出基于HMD 的3 种子架构描述。

2.1 基于单HMD 的EFVS 架构

基于单HMD 的EFVS 架构包括1 台HMD、1 台EVS、1 台处理设备、1 台输入设备和1 台指示设备，HMD 和输入设备安装在正驾驶一侧，EVS 一般安装在机鼻上方或下方，处理设备安装在电子设备舱，而指示设备安装在副驾驶一侧，确保副驾驶可以看到系统的工作模式和告警信息。该架构一般用于轻型直升机、中型直升机等低成本机型。基于单HMD 的EFVS 架构如图1 所示。

图1 基于单HMD 的EFVS 架构

2.2 基于双HMD 的EFVS 架构

基于双HMD 的架构包括2 台HMD、1 台EVS、2 台处理设备、2 台输入设备，2 台HMD 可以同时工作，其中一台可以作为另一台的指示设备，以确保系统的工作模式和告警信息可以被副驾驶看到。为降低系统的复杂度，建议该系统的同侧处理设备仅用于驱动同侧的HMD。该架构一般用于中型直升机、重型直升机等高成本机型。基于双HMD 的EFVS 架构如图2 所示。

图2 基于双HMD 的EFVS 架构

2.3 基于HMD 的集成式EFVS 架构

基于HMD 的集成式EFVS 架构将处理设备集成到IMA中，此时EFVS 需要在显示格式与冗余管理等方面与下显系统进行综合设计。

集成式EFVS 架构减少了LRU 的数量和机上电缆，从而降低了设备重量和功耗，实现了EFVS 与下显系统的信息共享，但集成式架构仅用于重型直升机等高成本机型。

3 设计和安装准则

3.1 与下显系统的关系

EFVS 主要向飞行员提供关键的飞行参数信息，确保飞行员可以平视操纵飞机，EFVS 中的HUD 或HWD 显示的参数在显示格式、内容和参数上应与同侧的尽量保持一致，以缩短飞行员的判读时间，从而减轻其工作负担。但在进近着陆阶段，HUD 或HWD 可以提供飞行辅助引导指令，此时的显示画面可以与下显有不同。

3.2 人机接口

EFVS 系统在整个飞机运行过程中都可以使用，尤其是在低能见度和夜间条件下，在起飞、爬升、低空巡航、下降、进近着陆过程中的作用比较显著。EFVS 的输入设备和指示设备需要根据该型直升机的驾驶舱显示系统架构进行设计，HUD 的输入设备应尽量设计在HUD 组合镜上方，HWD 的输入设备应尽量设计在盔体上，而EVS 的输入设备尽量与显示系统的输入设备进行集成，EFVS 的指示设备应尽量与显示系统的显示界面进行集成，目的都是为了方便飞行员对EFVS 的访问，以及减少因加装EFVS 对座舱布局的改动。

3.3 安装要求

EFVS 的安装除了需要满足FAR27/CCAR27 或FAR29/CCAR29中规定的要求外，还需要满足AC20-167A、AS8055、DO-315B 的相关规定，同时还需满足以下要求：HUD 应进行光学校准，以确保其视轴与机轴保持一致；EVS 也应进行光学校准，以确保其视轴与机轴保持一致；HMD 在驾驶舱安装定位组件时也需要进行定位校准，以确保其视轴与机轴保持一致[2]。

4 在民用直升机上的应用及发展趋势

目前，空客的直升机、阿古斯塔的直升机、西科斯基的直升机都有一些机型装备了EFVS，尤其是用于紧急医疗服务、搜索救援、执法等任务的多用途直升机装备较多，并逐渐扩展到中大型直升机，但国内现有的直升机还未装备EFVS。本文以AS350 与AW169 直升机上的EFVS 为例，说明EFVS 在民用直升机上的应用与发展。

AS350 直升机装备了Saab 公司的HUD AviGuide[2]和Max-Viz 公司的EVS-1500[3]构成的EFVS 系统，该系统是基于单HUD 的EFVS 系统。HUD 安装在正驾驶头部上方，处理设备安装在电子设备舱，输入设备集成到主驾驶侧的多功能显示器，而指示设备集成到副驾驶侧的多功能显示器。AviGuide 可以显示速度、高度、姿态、航向、飞行航迹、风速和风向、扭矩、水平态势指示器、飞行管道等信息，可以叠加显示EVS 画面，并具有防拥子模式，而且该系统具有合成视景系统的扩展能力。EVS-1500 安装在驾驶舱外的正上方，其采用了低成本的长波红外非制冷传感器。

AW109 直升机装备了Elbit 公司的HMD SkyVisTM 和Heli EVSTM 构成的EFVS 系统[4]，该系统是基于单HMD 的EFVS 系统。SkyVisTM 由主驾驶佩戴，与之匹配的定位组件安装在驾驶舱的恰当位置，处理设备、输入设备和指示设备均集成到下显系统中。SkyVisTM 显示的字符画面与AviGuide 画面类似，但在进近着陆时，采用了BOSS（Brownout Symbology Set）的符号元素，大大提升了画面的纵深感。在此基础上，Elbit 公司还推出了无盔体的HMD——头戴式显示器（HWD）SKYLENTM，该显示器去掉了HMD 的保护盔体，降低了传统HMD 的质量，减轻了飞行员的颈部负担，佩戴舒适度更佳。Heli EVSTM 安装在机头下方，采用了低成本的长波红外非制冷传感器和微光电视传感器，覆盖长波红外、近红外和可见光波段，成像效果更佳。由于轻型、中型直升机空间相对狭小，安装HUD 会占用飞行员宝贵的头部活动空间，使飞行员的头部易碰到HUD 而受伤，此外飞行员必须保持眼点在HUD 的眼盒范围内才能看到字符画面，限制了飞行员对直升机侧后方态势的感知；HMD 可以有效克服这些问题，但同时也会带来因长时间佩戴导致飞行员颈部劳损的问题，HWD 的出现可以有效克服这些问题，而且成本相对较低，将是未来的发展趋势。EVS将由低成本的单波段传感器向低成本多波段传感器发展，从单波段图像增强技术向多波段图像增强、融合校准技术发展。EFVS 的处理设备将由独立的LRU 向IMA 方向发展，根据不同机型配置不同的系统架构。随着合成视景系统（SVS）技术的飞速发展，EFVS 与SVS 的结合应用也日趋紧密，Elbit 公司的ClearVision[4]就包含了EFVS 和SVS，由于SVS 不受天气条件、视场和距离指标的限制，有效弥补了EVS 受视场和探测距离影响的不足，大大提高了飞行员的态势感知能力，提升了飞行安全裕度。