增強飛行視景系統在民用直升機上的應用

高成志，于桂杰

（洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471000）

隨著民用直升機在搜索救援、緊急醫療、公務執法和滅火等領域的應用越來越廣泛，其執行的任務越來越復雜，難度越來越大，這就需要迫切提升民用直升機的出勤率和安全性，而平視顯示器（HUD）或頭盔顯示器（HMD）與增強視景系統（EVS）組成的增強飛行視景系統（EFVS）可很好地滿足民用直升機的這個需求。由于民用直升機需要適航取證，要求EFVS 從設計之初就要將相關的適航法規、咨詢通告、工業標準等需求考慮進來，并在后期的設計方案中予以落實，并向局方和客戶提供充分的驗證數據。

1 組成

民用直升機的EFVS 系統通過機上安裝的HUD 或HMD，將關鍵的飛行參數信息、導航信息、導引信息與EVS提供的增強視景圖像疊加顯示在HUD 的組合玻璃上或HMD 的鏡片上，使飛行員在保持平視操縱直升機時，既可以獲取關鍵的飛行數據，又可以獲取飛機前方的視景，尤其是低能見度條件下的增強飛行視景。HUD 或HMD 上顯示的信息包括速度、高度、姿態、航向、垂直速度、風速和風向、低能見度進近導引、增強視景等。

直升機的EFVS 的主要組成包括HUD 或HMD、EVS、處理設備、輸入設備、指示設備[1]。

1.1 處理設備

處理設備接收大氣數據機、慣性導航系統、自動飛行控制系統、飛行管理系統等航電數據信息進行綜合處理，生成符號信息，并與EVS 生成的增強視景圖像進行疊加處理，以標準的視頻格式信息送至HUD 或HMD 進行顯示。處理設備既可以是獨立的外場可更換組件（LRU），也可以是綜合模塊化航電設備（IMA）中的幾個模塊。

1.2 HUD 或HMD

HUD 或HMD 是一個獨立的LRU，接收處理設備生成的標準視頻信息，經過光學組件準直和校正后，投影到組合玻璃或光學鏡片上供飛行員觀察，使飛行員在觀看外景的同時，又能獲取關鍵的飛行參數信息，減少了在抬頭觀察外景和低頭俯視儀表之間的轉換，大大降低了飛行員的視力疲勞，減輕了其工作負擔。

1.3 EVS

EVS 也是一個獨立的LRU，利用前視紅外傳感器實時獲取飛機前方外景圖像，其能在夜間及雨、雪、霧、霾等低能見度下增強飛行能見度，使飛行員看清飛機前方的跑道、障礙物等。

1.4 輸入設備

輸入設備主要用于HUD 或HWD 的亮度調節、對比度調節、EVS 畫面疊加、防擁等控制，以及EVS 的光窗加熱、增益、非均勻校正（NUC）等控制。HUD 的輸入控制一般有獨立的控制面板；HMD 的輸入控制既可以集成到盔體上，又可以集成到專用的控制面板上；而EVS 的輸入控制既可以集成到多功能顯示器（MFD）上，又可以集成到專用的控制面板上。

1.5 指示設備

指示設備用于向機組通告EFVS 系統的當前工作模式、工作狀態及相關告警信息。HUD 或HWD 的指示設備上的信息既可以顯示在主飛行顯示器（PFD）或多功能顯示器（MFD）上，又可以顯示在專用的控制面板上。

2 架構

EFVS 根據不同的直升機安裝要求和系統配置，其架構也有所不同。同時，EFVS 的架構還受客戶預算、使用維護成本、預期功能、安全性指標、航電系統架構等因素的影響。當前，民用直升機上的EFVS 系統有基于HUD 的架構和基于HWD 的架構兩種基本架構，但基于HUD 的架構又可以細分為3 種子架構，即基于單HUD 的子架構、基于雙HUD的子架構和基于HUD 的集成式架構，而基于HWD 的架構又可以細分為3 種子架構，即基于單HMD 的子架構、基于雙HMD 的子架構和基于HMD 的集成式架構，下面僅給出基于HMD 的3 種子架構描述。

2.1 基于單HMD 的EFVS 架構

基于單HMD 的EFVS 架構包括1 臺HMD、1 臺EVS、1 臺處理設備、1 臺輸入設備和1 臺指示設備，HMD 和輸入設備安裝在正駕駛一側，EVS 一般安裝在機鼻上方或下方，處理設備安裝在電子設備艙，而指示設備安裝在副駕駛一側，確保副駕駛可以看到系統的工作模式和告警信息。該架構一般用于輕型直升機、中型直升機等低成本機型。基于單HMD 的EFVS 架構如圖1 所示。

圖1 基于單HMD 的EFVS 架構

2.2 基于雙HMD 的EFVS 架構

基于雙HMD 的架構包括2 臺HMD、1 臺EVS、2 臺處理設備、2 臺輸入設備，2 臺HMD 可以同時工作，其中一臺可以作為另一臺的指示設備，以確保系統的工作模式和告警信息可以被副駕駛看到。為降低系統的復雜度，建議該系統的同側處理設備僅用于驅動同側的HMD。該架構一般用于中型直升機、重型直升機等高成本機型。基于雙HMD 的EFVS 架構如圖2 所示。

圖2 基于雙HMD 的EFVS 架構

2.3 基于HMD 的集成式EFVS 架構

基于HMD 的集成式EFVS 架構將處理設備集成到IMA中，此時EFVS 需要在顯示格式與冗余管理等方面與下顯系統進行綜合設計。

集成式EFVS 架構減少了LRU 的數量和機上電纜，從而降低了設備重量和功耗，實現了EFVS 與下顯系統的信息共享，但集成式架構僅用于重型直升機等高成本機型。

3 設計和安裝準則

3.1 與下顯系統的關系

EFVS 主要向飛行員提供關鍵的飛行參數信息，確保飛行員可以平視操縱飛機，EFVS 中的HUD 或HWD 顯示的參數在顯示格式、內容和參數上應與同側的盡量保持一致，以縮短飛行員的判讀時間，從而減輕其工作負擔。但在進近著陸階段，HUD 或HWD 可以提供飛行輔助引導指令，此時的顯示畫面可以與下顯有不同。

3.2 人機接口

EFVS 系統在整個飛機運行過程中都可以使用，尤其是在低能見度和夜間條件下，在起飛、爬升、低空巡航、下降、進近著陸過程中的作用比較顯著。EFVS 的輸入設備和指示設備需要根據該型直升機的駕駛艙顯示系統架構進行設計，HUD 的輸入設備應盡量設計在HUD 組合鏡上方，HWD 的輸入設備應盡量設計在盔體上，而EVS 的輸入設備盡量與顯示系統的輸入設備進行集成，EFVS 的指示設備應盡量與顯示系統的顯示界面進行集成，目的都是為了方便飛行員對EFVS 的訪問，以及減少因加裝EFVS 對座艙布局的改動。

3.3 安裝要求

EFVS 的安裝除了需要滿足FAR27/CCAR27 或FAR29/CCAR29中規定的要求外，還需要滿足AC20-167A、AS8055、DO-315B 的相關規定，同時還需滿足以下要求：HUD 應進行光學校準，以確保其視軸與機軸保持一致；EVS 也應進行光學校準，以確保其視軸與機軸保持一致；HMD 在駕駛艙安裝定位組件時也需要進行定位校準，以確保其視軸與機軸保持一致[2]。

4 在民用直升機上的應用及發展趨勢

目前，空客的直升機、阿古斯塔的直升機、西科斯基的直升機都有一些機型裝備了EFVS，尤其是用于緊急醫療服務、搜索救援、執法等任務的多用途直升機裝備較多，并逐漸擴展到中大型直升機，但國內現有的直升機還未裝備EFVS。本文以AS350 與AW169 直升機上的EFVS 為例，說明EFVS 在民用直升機上的應用與發展。

AS350 直升機裝備了Saab 公司的HUD AviGuide[2]和Max-Viz 公司的EVS-1500[3]構成的EFVS 系統，該系統是基于單HUD 的EFVS 系統。HUD 安裝在正駕駛頭部上方，處理設備安裝在電子設備艙，輸入設備集成到主駕駛側的多功能顯示器，而指示設備集成到副駕駛側的多功能顯示器。AviGuide 可以顯示速度、高度、姿態、航向、飛行航跡、風速和風向、扭矩、水平態勢指示器、飛行管道等信息，可以疊加顯示EVS 畫面，并具有防擁子模式，而且該系統具有合成視景系統的擴展能力。EVS-1500 安裝在駕駛艙外的正上方，其采用了低成本的長波紅外非制冷傳感器。

AW109 直升機裝備了Elbit 公司的HMD SkyVisTM 和Heli EVSTM 構成的EFVS 系統[4]，該系統是基于單HMD 的EFVS 系統。SkyVisTM 由主駕駛佩戴，與之匹配的定位組件安裝在駕駛艙的恰當位置，處理設備、輸入設備和指示設備均集成到下顯系統中。SkyVisTM 顯示的字符畫面與AviGuide 畫面類似，但在進近著陸時，采用了BOSS（Brownout Symbology Set）的符號元素，大大提升了畫面的縱深感。在此基礎上，Elbit 公司還推出了無盔體的HMD——頭戴式顯示器（HWD）SKYLENTM，該顯示器去掉了HMD 的保護盔體，降低了傳統HMD 的質量，減輕了飛行員的頸部負擔，佩戴舒適度更佳。Heli EVSTM 安裝在機頭下方，采用了低成本的長波紅外非制冷傳感器和微光電視傳感器，覆蓋長波紅外、近紅外和可見光波段，成像效果更佳。由于輕型、中型直升機空間相對狹小，安裝HUD 會占用飛行員寶貴的頭部活動空間，使飛行員的頭部易碰到HUD 而受傷，此外飛行員必須保持眼點在HUD 的眼盒范圍內才能看到字符畫面，限制了飛行員對直升機側后方態勢的感知；HMD 可以有效克服這些問題，但同時也會帶來因長時間佩戴導致飛行員頸部勞損的問題，HWD 的出現可以有效克服這些問題，而且成本相對較低，將是未來的發展趨勢。EVS將由低成本的單波段傳感器向低成本多波段傳感器發展，從單波段圖像增強技術向多波段圖像增強、融合校準技術發展。EFVS 的處理設備將由獨立的LRU 向IMA 方向發展，根據不同機型配置不同的系統架構。隨著合成視景系統（SVS）技術的飛速發展，EFVS 與SVS 的結合應用也日趨緊密，Elbit 公司的ClearVision[4]就包含了EFVS 和SVS，由于SVS 不受天氣條件、視場和距離指標的限制，有效彌補了EVS 受視場和探測距離影響的不足，大大提高了飛行員的態勢感知能力，提升了飛行安全裕度。

5 小結

近年來，國外EFVS 的制造商在大力推廣其在民用直升機上的應用，但民機直升機對EFVS 有嚴格的適航要求，本文針對這一特殊性，對EFVS 的組成、架構、設計與安裝準則進行了較為詳細的描述。

隨著民用直升機航電系統的不斷發展，EFVS 的輸入與指示功能將集成到其他系統中，并與SVS 功能集成，提升直升機的安全飛行品質。本文以AS350 和AW109 上裝備的EFVS 為例，給出了EFVS 在民用直升機上的應用與發展。